Гемоглобин

Практически весь объём эритроцита заполняет дыхательный белок — гемоглобин(Hb). Молекула Hb — тетрамер, состоящий из 4 субъединиц — полипептидных цепей глобина (2 цепии 2 цепей,,,,,в разных комбинациях), каждая из которых ковалентно связана с одной молекулой гема.Гемпостроен из 4 молекул пиррола, образующих порфириновое кольцо, в центре которого находится атом железа (Fe²⁺). Основная функция Hb — перенос O₂. Существует несколько типов Hb, образующихся на разных сроках развития организма, различающихся строением глобиновых цепей и сродством к кислороду.ЭмбриональныеHb(‑ и‑цепи) появляются у 19‑дневного эмбриона, присутствуют в эритроидных клетках в первые 3–6 мес беременности.ФетальныйHb(HbF —₂₂) появляется на 8–36 нед беременности и составляет 90–95% всего Hb плода. После рождения его количество постепенно снижается и к 8 мес составляет 1%.ДефинитивныеHb— основные Hb эритроцитов взрослого человека (96–98% — HbA (A₁,) —₂₂, 1,5–3% — HbA₂—₂₂). Известно более 1000 мутаций разных глобинов, значительно изменяющих свойства Hb, в первую очередь — способность транспортировать O₂.

 HbH— гомотетрамер, образующийся при ингибировании синтеза‑цепи. Транспорт O₂. не эффективен, развивается синдром, схожий с талассемией (у гетерозигот по двум генам‑талассемии).

 HbM— группа аномальных Hb, у которых замещение одной аминокислоты способствует образованию MetHb (хотя активность метгемоглобинредуктазы нормальна), гетерозиготы имеют врождённую метгемоглобинемию, гомозиготы погибают в ходе внутриутробного развития.

 HbS— аномальный Hb (мутация в 6‑м положении‑цепи), у гетерозигот имеются серповидно-клеточные эритроциты (HbS от 20 до 45%, остальное — HbA, анемии нет), у гомозигот развивается серповидно-клеточная анемия (HbS — 75‑100%, остальное — HbF или HbA₂).

 БартаHb[Bart — фамилия пациента, у которого впервые обнаружен этот Hb] — гомотетрамер, встречающийся у раннего эмбриона и при‑талассемии, не эффективен как переносчик O₂.

 HbF— основной Hb эритроцитов плода, имеет большее сродство к O₂, чем дефинитивные Hb. Увеличение содержания HbF наблюдают при некоторых гемоглобинопатиях, гипопластических и витамин B₁₂‑дефицитной анемиях, остром лейкозе, у постоянно находящихся в условиях высокогорья.

Определениегемоглобина. В настоящее время в качестве унифицированного признан цианметгемоглобиновый (гемиглобинцианидный) метод определения Hb крови. Данный метод основан на том, что после взаимодействия с железосинеродистым калием (красная кровяная соль) Hb окисляется в метгемоглобин (гемиглобин), который под влиянием CN-ионов образует окрашенный в красный цвет комплекс — цианметгемоглобин (гемиглобинцианид). Концентрацию цианметгемоглобина измеряют на фотоэлектрокалориметре и расчёт концентрации Hb производят по калибровочному графику.

Ранее был широко распространён метод определения Hb с помощью гемометра Сали, представляющего собой небольшой штатив, в гнездах которого расположены градуированная пробирка и две запаянные пробирки со стандартным окрашенным раствором. Градуированной пипеткой насасывают выступающую из прокола кожи кровь до отметки 0,02 (20 мкл) и осторожно выдувают в градуированную пробирку гемометра с 0,1 н раствором соляной кислоты, перемешивают стеклянной палочкой и вставляют пробирку в гнездо гемометра между пробирками со стандартным раствором. В пробирку с испытуемым раствором добавляют дистиллированную воду по каплям до тех пор, пока цвет испытуемого и стандартного растворов не совпадёт. По шкале пробирки определяют уровень жидкости, который соответствует концентрации Hb.

Формыгемоглобина. В эритроцитах Hb находится в восстановленной (HbH) и/или окисленной (HbO₂) формах, а также в виде гликозилированного Hb. В ряде случае возможно присутствие карбоксигемоглобина и метгемоглобина.

 Оксигемоглобин. В лёгких при повышенном pO₂Hb связывает (ассоциирует) O₂, образуя оксигемоглобин (HbO₂), в этой форме HbO₂переносит O₂от лёгких к тканям, где O₂легко освобождается (диссоциирует), а HbO₂становится дезоксигенированным Hb (обозначают как HbH). Для ассоциации и диссоциации O₂ необходимо, чтобы атом железа гема был в восстановленном состоянии (Fe²⁺). При включении в гем трёхвалентного железа (Fe³⁺) образуется метгемоглобин — очень плохой переносчик O₂.

 Метгемоглобин(MetHb) — Hb, содержащий Fe гема в трёхвалентной форме (Fe³⁺); не переносит О₂; прочно связывает O₂, так что диссоциация последнего затруднена. Это приводит к метгемоглобинемии и неизбежным нарушениям газообмена. Образование MetHb может быть наследственным или приобретённым. В последнем случае это результат воздействия на эритроциты сильных окислителей. К ним относят нитраты и неорганические нитриты, сульфаниламиды и местные анестетики (например, лидокаин).

 Карбоксигемоглобин— плохой переносчик кислорода. Hb легче (примерно в 200 раз), чем с O₂, связывается с монооксидом углерода СО (угарный газ), образуя карбоксигемоглобин (O₂замещён CO).

 ГликозилированныйHb(HbА_1с) — HbА (A₁), модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (норма HbA_1C5,8–6,2%). К одним из первых признаков сахарного диабета относят увеличение в 2–3 раза количества HbA_1C. Этот Hb имеет худшее сродство к кислороду, чем обычный Hb.

Транспорткислорода. Кровь ежедневно переносит из лёгких в ткани около 600 л О₂. Основной объём О₂транспортирует HbO₂(O₂обратимо ассоциирован с Fe²⁺гема, это так называемый химически связанный O₂[неверный по существу, но — к сожалению — устоявшийся термин]). Незначительная часть O₂растворена в крови (физически растворённый O₂). Содержание O₂в крови в зависимости от парциального давления O₂(Po₂) представлено на рис. 24–10.

Рис.24–10.Содержаниекислородавкрови[23].А— ассоциированный с Hb O₂.Б— физически растворённый в крови O₂. Обратите внимание, что кривая А (в отличие от кривой Б) не имеет линейного характера, это так называемая S-образная (сигмовидная) кривая; такая форма кривой отражает то обстоятельство, что 4 субъединицы Hb связываются с O₂кооперативно. Это обстоятельство имеет важное физиологическое значение: при конкретных и разных (!) значениях Po₂в артериальной и в смешанной (венозной) создаются наиболее благоприятные условия для ассоциации Hb и O₂в капиллярах лёгкого и для диссоциации Hb и O₂в тканевых капиллярах. В то же время в плазме крови физически растворена только небольшая часть О₂(максимально 6%); физическую растворимость О₂описывает закон Генри (уравнение 24–6): с увеличением Po₂содержание О₂линейно возрастает.

Физическаярастворимостьгазовможет быть описана законом Генри (уравнение 24–6).

Уравнение24–6

С_х=_хР_х

где: C_x— концентрация газа;_х— коэффициент растворимости газа P_x— парциальное давление газа.

КооперативностьсвязыванияО₂иHbпоказана на рис. 24–11.

Рис.24–11.Кривыедиссоциациикислородадлямиоглобинаигемоглобинавзависимостиотпарциальногодавлениякислорода[9].

Из графика видно, что кривые диссоциации О₂для миоглобина и гемоглобина различны.

 КриваядиссоциацииО₂длямиоглобинаимеет вид простой гиперболы — очевидное указание на то, что на обратимое связывание мономерного (не складывающегося — в отличие от Hb — из субъединиц) миоглобина мышечной ткани и О₂влияет только Po₂. Миоглобин имеет очень высокое сродство к О_2.. Даже при Po₂, равном 1–2 мм рт.ст., миоглобин остаётся связанным с О₂на 50%. Миоглобин связывает О_2., который в капиллярах скелетных мышц высвобождает Hb, но и сам миоглобин может освобождать О₂в ответ на возрастание потребностей в нём мышечной ткани и при интенсивном использовании О₂в результате физической нагрузки.

 КриваядиссоциацииО₂длягемоглобинаимеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что субъединицы Hb работают кооперативно: чем больше О₂связывают (отдают) субъединицы, тем легче идёт ассоциация (диссоциация) последующих молекул О₂. Из графика на рис. 24–11 также видно, что Hb (в отличие от миоглобина) имеет значительно более низкое сродство к О₂; полунасыщение гемоглобина О₂наступает при более высоком давлении О₂(около 26 мм рт.ст.). В капиллярах покоящихся мышц, где давление О₂составляет около 40 мм рт.ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в лёгкие. При физической работе Po₂в мышечных капиллярах падает до 10–20 мм рт.ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт.ст.) располагается «крутая часть» S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы субъединиц.

 Физическирастворённыйвкровигаз. Согласно закону Генри, количество растворённого в крови O₂(любого газа) пропорционально Po₂(парциальному давлению любого газа) и коэффициенту растворимости конкретного газа. Физическая растворимость O₂в крови примерно в 20 раз меньше, чем растворимость СО₂, но для обоих газов незначительна. В то же время физически растворённый в крови газ — необходимый этап транспорта любого газа (например, при перемещении O₂в эритроцит из полости альвеол).

 Кислороднаяёмкостькрови— максимальное возможное количество связанного с Hb О₂— теоретически составляет 0,062 ммоль О₂(1,39 мл О₂) на 1 г Hb (реальное значение несколько меньше — 1,34 мл О₂на 1 г Hb). Измеренные же значения составляют для мужчин 9,4 ммоль/л (210 мл О₂/л), для женщин — 8,7 ммоль/л (195 мл О₂/л).

 Насыщение(сатурация, S)HbО₂(So₂) зависит от парциального давления кислорода (Po₂) и фактически отражает содержание оксигенированного Hb (HbО₂, см. кривую А на рис. 24–10, рис. 24–11). So₂может принимать значения от 0 (HbО₂нет) до 1 (нет HbH). При половинном насыщении (S_0,5) Po₂равно 3,6 кПа (27 мм рт.ст.), при S_0,75— 5,4 кПа, при S_0,9813,3 кПа. Другими словами (см. кривую А на рис. 24–10) зависимость между So₂и Po₂не является линейной (характерная S-образная кривая), что благоприятствует как связыванию О₂в лёгких (артериальная кровь) и транспорту О₂, так и освобождению О₂в кровеносных капиллярах органов и тканей, так как насыщение артериальной крови кислородом (S_Ao₂) составляет примерно 97,5%, а венозной крови (S_Vo₂) — 75%.

 Характернасыщения(см. кривая А на рис. 24–10, рис. 24–11, рис. 24–12) таков, что кривая существенно уплощается при Po₂около 70 мм рт.ст. Так, при Po₂ниже 60 рт.ст. кислород хорошо связывается с Hb, но уже при Po₂60 мм рт.ст. насыщение составляет 90%, и дальнейшее увеличение Po₂относительно слабо сказывается на насыщении (увеличение Po₂от 60 до 100 мм рт.ст. увеличивает насыщение всего на 7%). Другими словами, в этом диапазоне Po₂насыщение O₂благоприятно для обеспечения его транспорта. Совершенно иная картина складывается при значениях Po₂ниже 60 мм рт.ст., т.е. при небольших изменениях Po₂из Hb освобождается существенные количества O₂, что облегчает его диффузию из крови в ткани.

 Насыщение O₂описывает уравнение 24–7:

Уравнение24–7

So₂=[HbО₂]/([HbH]+[HbО₂])

где: HbО₂— оксигенированный Hb, HbH — дезоксигенированный Hb.

АффинитетHbкО₂, т.е. насыщение Hb О₂при конкретном Po₂изменяет ряд факторов (температура, pH и Pco₂, 2,3-бифосфоглицерат; рис. 24–12).

Рис.24–12.ДиссоциацияоксигемоглобинавкровивзависимостиотPo₂[4]. В зависимости от изменений (указаны стрелками) температуры, pH, Pco₂крови и концентрации 2,3-бифосфоглицерата в эритроцитах кривая насыщения гемоглобина O₂сдвигается вправо (что означает меньшее насыщение кислородом) или влево (что означает большее насыщение кислородом). На кривой кружочком отмечена позиция, соответствующая половинному насыщению (S_0,5).

 pH,Pco₂иэффектБора. Особенно существенно влияние pH:уменьшениеводородного показателя (сдвиг в кислую сторону — в зону ацидоза) сдвигает кривую диссоциации Hb вправо (что способствует диссоциации О₂), тогда какувеличениеpH (сдвиг в щелочную сторону — в зону алкалоза) сдвигает кривую диссоциации Hb влево (что увеличивает аффинитет О₂). Эффекты же Pco₂на кривую диссоциации оксигемоглобина реализуются преимущественно через изменение значений водородного показателя: при поступлении CO₂в кровь происходит уменьшение pH, что способствует диссоциации О₂и его диффузии из крови в ткани. Напротив, в лёгких CO₂диффундирует из крови в альвеолы, что приводит к увеличению pH, т.е. способствует связыванию О₂с Hb. Этот влияние CO₂и H⁺на аффинитет О₂к Hb известно какэффектКристианаБора(отец великого физика Нильса Бора). Таким образом, эффект Бора обусловлен преимущественно изменением pH при увеличении содержания CO₂и лишь частично — связыванием CO₂с Hb (см. далее). Физиологическое следствие эффекта Бора — облегчение диффузии O₂из крови в ткани и связывание O₂артериальной кровью в лёгких.

 Температура. Значение влияния температуры на аффинитет Hb к О₂у гомойотермных животных теоретически отсутствует, но может оказаться важным при ряде ситуаций. Так, при интенсивной мышечной нагрузке температура тела увеличивается, что приводит к сдвигу кривой диссоциации вправо (увеличивается поступление О₂в ткани). При понижении температуры (особенно пальцев, губ, ушной раковины) кривая диссоциации сдвигается влево, т.е. увеличивается аффинитет О₂; следовательно, увеличения поступления О₂, в ткани не происходит.

 2,3-Бифосфоглицерат(БФГ) — промежуточный продукт гликолиза — содержится в эритроцитах примерно в той же молярной концентрации, что и Hb. БФГ связывается с Hb (в основном за счёт взаимодействия с‑субъединицей, т.е. с дефинитивными Hb, но не с фетальным Hb, в составе которого нет‑субъединицы). Связывание БФГ с Hb сдвигает кривую диссоциации Hb вправо (см. рис. 24–12), что способствует диссоциации О₂при умеренных значениях Po₂(например, в тканевых капиллярах), но практически не влияет на кривую диссоциации при высоких значениях Po₂(в капиллярах лёгкого). Существенно, что при усилении гликолиза (анаэробного окисления) концентрация БФГ в эритроцитах увеличивается, что является механизмом приспособления организма к гипоксии, наблюдающейся при заболеваниях лёгких, анемиях, подъёме на высоту. Так, в период адаптации к высокогорью (более 4 км над уровнем моря) концентрация БФГ уже через 2 дня возрастает почти в 2 раза (от 4,5 до 7,0 мМ). Понятно, что это снижает сродство Hb к О₂и увеличивает количество О₂, освобождаемого из капилляров в ткани.

Транспорт CO₂. Как и О₂, СО₂транспортируется кровью как в физически растворённом состоянии, так и в химически связанном (в составе бикарбонатов и в соединении с белками, т.е. в форме карбаматов и в том числе в связи с Hb — карбгемоглобин). Во всех 3-х состояниях (растворённое, бикарбонат, карбаматы) СО₂присутствует и в эритроцитах (89%), и в плазме крови (11%) (табл. 24–5). При химическом связывании СО₂образуется значительное количество протонов (H⁺).

Таблица 24–5. Содержание в крови СО₂ (мл/л)

	Артериальная	Смешанная (венозная)	Артерио-венозная разница
Врастворе	25	29	4
Всвязисбелками	24	38	14
Вформебикарбоната	433	455	22
ВСЕГО	482	522	40

Примечание. Pсо₂(мм рт.ст.) артериальной крови — 40, венозной — 46, артерио–венозная разница — 6.

ОбщеесодержаниеCO₂иартерио–венознаяразницапоCO₂. Когда артериальная кровь поступает в тканевые капилляры, она связывает дополнительно 40 мл/л CO₂(артерио–венозная разница по CO₂, или дополнительный CO₂). Это дополнительное количество CO₂транспортируется к лёгким в растворённом виде, как бикарбонат и в составе карбаматов. Однако, при измерении в крови содержания бикарбоната методом Ван Слайка учитывается не только бикарбонат, но также растворённый CO₂, CO₂в составе карбаматов, угольной кислоты и карбонатов. Именно по этой причине во многих источниках существенно завышена роль бикарбоната как главного транспортёра CO₂и занижена роль растворённого CO₂и карбаматов (здесь и далее все значения даны в откорректированном виде, учитывающем недостатки метода Ван Слайка).

Примерно 2/3 СО₂(68%, в том числе 63% в эритроцитах) транспортируется кровью в виде бикарбоната (НСО₃^–). Пятую часть СО₂(22%, в том числе в виде карбгемоглобина — 21%) переносят карбаматы (СО₂обратимо присоединён к неионизированным концевым-аминогруппам белков, образуя группировку R-NH-CОО^–). 10% СО₂находится в растворённом состоянии (поровну в плазме и в эритроцитах). Крайне существенно то обстоятельство, что в реакциях химического связывания СО₂образуются ионы Н⁺:

СО₂ + Н₂ОН₂СО₃Н⁺ + НСО₃^–R-NH₂+ СО₂R-NH-CОО^– +Н⁺

Из обоих равновесных реакций следует, что химическое связывание СО₂идёт с образованием ионов Н⁺. Таким образом, для химического связывания СО₂необходимо нейтрализовать Н⁺. Эту задачу решает гемоглобиновая буферная система.

Рольгемоглобиновойбуфернойсистемы(связывание ионов Н⁺) существенна для транспорта CO₂кровью (рис. 24–13, рис. 24–14).

Рис.24–13.ПЕРЕНОСО₂ИСО₂СКРОВЬЮ[9].А.ВлияниеСО₂иН⁺навысвобождениеО₂изкомплексасгемоглобиномвтканях(эффектБора).Б.Оксигенированиедезоксигемоглобинавлёгких,образованиеивыделениеСО₂.

Рис. 24–14. Механизмы транспорта СО₂ с кровью [4]

 ВкапиллярахбольшогокругакровообращенияHbO₂отдаёт кислород, а в кровь поступает CO₂. В эритроцитах под влиянием карбоангидразы CO₂взаимодействует с H₂O, образуется угольная кислота (H₂CO₃), диссоциирующая на HCO₃^–и H⁺. Ион H⁺связывается с Hb (образуется восстановленный Hb — HHb), а HCO₃^–из эритроцитов выходит в плазму крови; взамен в эритроциты поступает эквивалентное количество Cl^–. Одновременно часть CO₂связывается с Hb (образуется карбгемоглобин).

 Вкапиллярахлёгких(т.е. в условиях низкого pСО₂и высокого pО₂) Hb присоединяет O₂и образуется оксигемоглобин (HbO₂). В то же время в результате разрыва карбаминовых связей высвобождается CO₂. При этом HCO₃^–из плазмы крови поступает в эритроциты (в обмен на ионы Cl^–) и взаимодействует с H⁺, отщепившимся от Hb в момент его оксигенации. Образующаяся угольная кислота (H₂CO₃) под влиянием карбоангидразы расщепляется на CO₂и H₂O. CO₂диффундирует в альвеолы и выводится из организма.

КриваядиссоциацииCO₂описывает связь между содержанием в крови CO₂и pСО₂. В отличие от кривой диссоциации Hb и О₂(см. рис. 24–10 и рис. 24–12), кривая диссоциации CO₂при физиологических значениях pСО₂ (кровь артериальная — 40 мм рт.ст., венозная — 46 мм рт.ст.) имеет линейный характер. Более того, при любом значении pСО₂ содержание CO₂в крови обратно пропорционально pО₂ (насыщению Hb О₂). Эта обратная зависимость между содержанием CO₂и парциальным давлением кислорода (pО₂) известна какэффектХолдейна. Как и эффектБора, эффект Холдейна имеет важное физиологическое значение. Так, в капиллярах большого круга кровообращения по мере диффузии O₂из капилляроввозрастаетспособность крови поглощать CO₂, в результате CO₂поступает в кровь. Напротив, в капиллярах лёгкого при оксигенация крови её способность поглощать CO₂уменьшается, в результате CO₂«сбрасывается» в альвеолы.

Метаболизм гемоглобина, железо организма и анемии