Е

Мал. 3. Будова гема гемоглобіну

ритропоез — це складний процес, що регулюється комплексом гуморальних факторів. Так, при крововтратах або в умовах низької напруги кисню в крові з'являється глікопротеїд еритропоетин, який стимулює еритропоез. Ціанокобаламін (віт. В₁₂) та фолієва кислота (віт. В_с) необхідні для синтезу глобіну та дозрівання еритроцитів; вітаміни — аскорбінова кислота (віт. С), рибофлавін (віт. В₂), піридоксин (віт. В₆) та інші — контролюють синтез гема і строми еритроцитів, при цьому використовується залізо зруйнованих еритроцитів.

Пігменти крові

Основна функція еритроцитів — транспорт газів крові: кисню і вуглекислого газу — здійснюється завдяки наявності в еритроцитах дихального пігменту крові гемоглобіну. Гемоглобін є хромопротеїдом — це речовина, що має колір і складається з білкової частини — глобіну та небілкової — гема. Цей пігмент містить у своєму складі атом феруму, розміщений у центрі молекули гема.

М

Мал. 4. Молекулярна модель гемоглобіну:

а— молекули гема

олекулярна маса гемоглобіну становить 64-66 кД. До його складу входять 4 молекули гема і 4 поліпептидних ланцюги: 2 α- і 2 β-ланцюги. Отже, молекула гемоглобіну — це результат полімеризації чотирьох молекул протогемоглобіну, близького за структурою до міоглобіну — пігменту скелетних м'язів (молекулярна маса 18 кД). Гем — це залізопорфірин, сполука, утворена чотирма пірольними кільцями, в центрі якої міститься йон двовалентного феруму (мал. 3).

Поліпептидні ланцюги, що складаються кожний з 140-146 амінокислотних залишків, закручуючись у характерні α- та β-спіралі, утворюють близьку до сферичної фігуру діаметром 4—5 нм. Це і є молекула гемоглобіну. На її поверхні у спеціальних заглибленнях розміщені чотири молекули гема (мал. 4).

Транспорт газів кров'ю

Транспорт кисню. Кисень приєднується у молекулі гемоглобіну до атома феруму за допомогою слабких координаційних зв'язків, утворюючи оксигемоглобін (НbО₂). Оскільки ферум при цьому не змінює валентності, то цей процес прийнято називати оксигенацією на відміну від окиснення, яке відбувається під впливом сильних окисників і супроводжується зміною валентності феруму до трьох. Внаслідок цього утворюється метгемоглобін (MetHb), який на відміну від оксигемоглобіну не здатний віддавати кисень. Оксигемоглобін, що віддав кисень, називають відновленим, або дезоксигемоглобіном (Нb). Ферум гема може приєднувати і карбону оксид — CO (чадний газ) — карбоксигемоглобін (НbСО).

Така сполука не здатна приєднувати кисень і транспортувати його до тканин, оскільки дисоціює з відщепленням СО у 200 разів повільніше, ніж оксигемоглобін. Тому наявність у повітрі навіть незначних концентрацій оксиду карбону є небезпечною для життя.

О

Мал. 5. Криві дисоціації оксигемоглобіну при напрузі вуглекислого газу в крові: 1 - 5,3 кПа (40 мм рт. ст ); 2 - 8 кПа (60 мм рт. ст.)

дна молекула гемоглобіну приєднує 4 молекули кисню, один грам гемоглобіну може приєднати 1,34 мл кисню. Цю величину називають кисневою ємністю гемоглобіну. Якщо ми знаємо вміст гемоглобіну в крові — 14-16%, можемо визначити кисневу ємність крові — максимальну кількість мілілітрів кисню, що може міститись у 100 мл крові. Її об'ємна частка становить 20-21,5%.

Приєднання кисню до гемоглобіну чи його відщеплення залежить насамперед від напруги кисню (рО₂) в крові. Ця залежність нелінійна, описується S-подібною кривою — кривою дисоціації оксигемоглобіну (мал. 5). На осі абсцис графіка відкладено рО₂ (у мм рт. ст.), ординат — ступінь насичення крові киснем (So₂), яку виражають концентрацією НbО₂ у відсотках за формулою

З малюнка видно, що при рО₂ 12-13,3 кПа (90-100 мм рт. ст.) (саме таким є парціальний тиск кисню в альвеолярному повітрі) насичення крові киснем досягає 94-96%. Повне 100% насичення може бути під час дихання сумішшю газів з високим вмістом кисню. Неповне насичення крові киснем за умов дихання повітрям пояснюють наявністю в крові невеликої кількості метгемоглобіну і тим, що частина крові в легенях проходить через шунти і не оксигенується. У міру зниження рО₂ крива спочатку дуже повільно, а потім, починаючи з 6,5 кПа (50 мм рт. ст.), різко опускається, що свідчить про швидку дисоціацію оксигемоглобіну і віддачу ним кисню. Внаслідок виходу кисню з крові до тканин напруга кисню у венозній крові знижується до 4-5,3 кПа (30-40 мм рт. ст.). Венозна кров у легенях контактує з високим вмістом кисню в альвеолярному повітрі, насичуючись там киснем, стає артеріальною. Отже, основним чинником, що визначає хід реакції НЬ + О₂ → НbО₂, є напруга кисню в середовищі.

Варто зауважити, що хід кривої дисоціації оксигемоглобіну залежить від багатьох чинників, зокрема від температури крові, її рН, напруги вуглекислого газу (рСО₂) у крові тощо. Проте більшість цих показників підтримується за нормальних умов на сталому рівні, і лише рСО₂ крові змінюється під час проходження її через капіляри. Датський фізіолог Н. Бор установив, що за підвищення рСО₂ в розчині з оксигемоглобіном крива дисоціації зміщується праворуч (див. мал. 5). Це явище дістало назву ефекту Бора. Отже, за однакового рівня рСО₂, наприклад 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), оксигемоглобін в артеріальній крові з низьким вмістом СО₂ дисоціює на 24%, а в капілярах, де рСО₂ вища, дисоціація оксигемоглобіну і віддача кисню в 1,5 раза більші. Отже, вуглекислий газ, вміст якого у капілярній крові зростає, прискорює віддачу кисню оксигемоглобіном. Протилежний процес — інтенсивна оксигенація гемоглобіну за рахунок зниження рСО₂ — відбувається в легенях.

Переважна більшість біологічних реакцій, які в своїй основі є ферментативними, здійснюються за експоненційним чи гіперболічним законами. Тому S-подібний характер кривої дисоціації оксигемоглобіну довго не мав пояснення. Одна зі спроб пояснити це явище належить М. Едеру, який запропонував гіпотезу проміжних сполук. За цією гіпотезою, молекула гемоглобіну приєднує 4 молекули кисню в кілька етапів. Кожна наступна молекула кисню, сполучившись з гемоглобіном, послідовно змінює його властивості, рівновагу і швидкість наступної реакції. Те саме, тільки в зворотному порядку, має місце при дисоціації оксигемоглобіну. Згадана форма кривої дисоціації оксигемоглобіну свідчить про те, що зміни рО₂ в альвеолах від 13,3 до 8 кПа (від 100 до 60 мм рт. ст.) мало впливають на насичення киснем артеріальної крові, а подальше зниження рО₂ від 8 до 6,6-4 кПа (від 60 до 40—30 мм рт. ст.), що відбувається в процесі переходу крові до капілярного русла, призводить до швидкої дисоціації оксигемоглобіну і віддачі значної кількості кисню.

Рівнем SO₂, що певною мірою характеризує всю криву дисоціації НЬО_2, прийнято вважати рівень рО₂, за якого гемоглобін насичується киснем на 50%. Для крові людини це 3,45 кПа (26 мм рт. ст.). Значна варіабельність цієї величини є проявом пристосування до життя в середовищах з різним вмістом кисню, і забезпечення необхідного рівня окисного метаболізму.

Хоча кисень приєднується до атома феруму гема, різна спорідненість гемоглобіну зумовлена не будовою гема, який у всіх гемоглобінів є однаковим, а глобіновою частиною пігменту, структурою та властивостями її ланцюгів, точніше, найближчим оточенням гема, тими амінокислотними радикалами, їхніми зарядами й полями, що вони створюють поблизу гема. Так, відомо, що гемоглобін плода людини (HbF) має вищу спорідненість до кисню, ніж гемоглобін дорослої людини (НЬА), і це пов'язано з тим, що HbF замість β-ланцюгів містить γ-ланщоги, які мають іншу послідовність амінокислот.

Т

ранспорт вуглекислого газу. На відміну від кисню, який переноситься кров'ю переважно у зв'язаному з гемоглобіном стані, форми і способи транспорту вуглекислого газу (карбону діоксиду, СО₂) є різноманітними і складними. Перш за все вуглекислий газ, що утворився в клітинах у процесі дихання, розчиняється в цитоплазмі клітин і звідти дифундує до тканинної рідини, плазми крові й еритроцитів. В еритроцитах відбувається гідратація СО₂ з утворенням карбонатної (вугільної) кислоти Н₂СО₃. Цей процес каталізується ферментом еритроцитів вугільною ангідразою, яка прискорює процес у кілька тисяч разів.

Для розуміння подальших етапів перетворень СО₂ слід мати на увазі, що:

1) в еритроциті, як і в будь-якій іншій клітині, йонів калію міститься значно більше, ніж у плазмі крові;

2) окиснений і відновлений гемоглобін та карбонатна кислота за своїми кислотними властивостями утворюють ряд: НЬО₂>Н₂СО₃>НЬ. Тому НЬО₂ як відносно сильна кислота приєднує до себе метал — йон калію. Отже, в еритроциті, що з кров'ю був принесений до тканин, одночасно відбуваються два процеси: один — утворення карбонатної кислоти і другий — дисоціація оксигемоглобіну:

КНЬО₂ → КНЬ + О₂.

Карбонатна кислота є сильнішою, ніж дезоксигемоглобін, і тому вона відбирає у нього К⁺, утворюючи при цьому добре дисоційовану сіль калію гідрогенкарбонат:

Н₂СО₃ + КНЬ → КНСО₃ + ННЬ.

Упродовж цього процесу відбувається накопичення в еритроциті гідрогенкарбонату (НСО^-₃) і дифузія його в плазму крові (згадаймо, що мембрана еритроцита добре проникна для аніонів і важко — для катіонів). Одночасно з виходом з еритроцита НСО^-₃ для компенсації порушеної йонної рівноваги в еритроцит надходить із плазми крові відповідна кількість йонів хлору (мал. 6, а). Слід підкреслити, що вуглекислий газ на відміну від кисню та карбону оксиду (чадного газу) ніколи не вступає в реакцію з атомом феруму в молекулі гема. Деяка частина вуглекислого газу зв'язується з аміногрупами глобіну, утворюючи карбгемоглобін (HbNH₂ + СО₂ → Hb NHCOOH), який транспортує вуглекислий газ до легень.

Я

Мал. 6. Транспорт вуглекислого газу кров'ю: а — у тканинах, б — у легенях

кщо не брати до уваги цієї форми перенесення вуглекислого газу, частка якого становить не більш як 10% усього СО₂, то можна вважати, що гемоглобін не бере участі в його транспорті. Роль гемоглобіну полягає у перетворенні вуглекислого газу на транспортабельну форму гідрогенкарбонатів. Таким чином, вуглекислий газ транспортується кров'ю від тканин тіла до легень у формі:

—розчиненого газу в плазмі крові — 10%;

• калію гідрогенкарбонату (КНСО₃) еритроцитів — 35%;

• натрію гідрогенкарбонату (NaHCO₃) плазми крові — 45%;

• карбгемоглобіну еритроцитів — 10%.

У легенях процеси віддачі вуглекислого газу відбуваються у зворотному порядку (мал. 6, б):

ННb + О₂ → ННbО₂;

ННbО₂ + КНСО₃ → КНbО₂ + Н₂СО₃.

Утворювана карбонатна кислота швидко гідролізується вугільною ангідразою, яка змінює напрямок каталізованої нею реакції залежно від рН середовища:

Вуглекислий газ дифундує з еритроцитів у плазму крові, далі в альвеоли і виходить з легень. У міру зниження в еритроциті концентрації НСО₃^- їх кількість поповнюється з плазми, при цьому одночасно з еритроцита в плазму переходить відповідна кількість йонів хлору. Процес повторюється до вилучення з крові зайвого вуглекислого газу і насичення її киснем (артеріалізації).

Досі йшлося про так званий обмінний вуглекислий газ, тобто ту фракцію

Таблиця 2. Гази крові Показники Примітка. 1 мм рт. ст. = 0,133 кПа.	Значення показників у крові
	артеріальній	венозній
Напруга кисню (рО2), мм рт. ст	90-100	30-40
Об'ємна частка кисню, % (об. %)	18-20	12-14
Насичення крові киснем (SO2), %	94-96	50-70
Напруга вуглекислого газу (рСО2), мм рт. ст.	40	46
Об'ємна частка вуглекислого газу, % (об. %)	50	56

вуглекислого газу, яка надходить у кров із тканин і віддається кров'ю в легенях. На неї припадає приблизно десята частка кількості вуглекислого газу, що міститься в крові. Більша його частина (об'ємна частка 50%) є її необхідною складовою, яка утворює гідрогенкарбонатну буферну систему і забезпечує сталість рН крові, тобто є одним із потужних механізмів гомеостазу.

Кількісну характеристику показників газового складу артеріальної та венозної крові наведено у табл. 2. Як видно з таблиці, вміст вуглекислого газу в крові залежить від його напруги (рСО₂) в ній, і в принципі цю залежність можна виразити у вигляді кривої, аналогічної до кривої дисоціації оксигемоглобіну. Тільки крива зв'язування СО₂ не має S-подібної форми і 100% насичення. У міру збільшення рСО₂ утворення гідрогенкарбонатів, а отже, і вміст вуглекислого газу в крові можуть зростати необмежено. Проте крива зв'язування СО₂ виявляє ефект, аналогічний ефекту Бора для кривої дисоціації НbО₂, а саме: зменшення оксигенації крові зумовлює збільшення вмісту вуглекислого газу в ній переважно за рахунок зростання концентрації карбгемоглобіну. Це явище дістало назву ефекту Христіансена —Дугласа — Холдейна. Його біологічне значения полягає в тому, що віддача кисню артеріальною кров'ю в капілярах тканин сприяє повнішому захопленню і виведенню з них вуглекислого газу, так само як зростання рСО₂ крові в капілярах тканин прискорює дисоціацію НЬО₂ і віддачу їм кисню. У легенях цей процес відбувається у зворотному напрямку.