Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 65)
6. Доставка кислорода из легких ко всем тканям организма и перенос в обратном направлении углекислоты, образующейся в тканях.
7. Защита от болезней, в которой участвуют три механизма:
а) свертывание крови, предотвращающее излишнюю потерю крови и проникновение в организм болезнетворных агентов;
б) фагоцитоз, осуществляемый гранулоцитами, которые захватывают и переваривают попавших в кровеносное русло бактерий;
в) иммунная защита, осуществляемая антителами и/или лимфоцитами.
8. Поддержание постоянного осмотического давления и рН с помощью белков плазмы. Белки плазмы и гемоглобин содержат как кислые, так и основные аминокислоты, поэтому они могут связывать и освобождать ионы водорода и таким образом снижать до минимума изменения рН.
14.13.1. Транспорт кислорода
Кислород переносят молекулы гемоглобина, содержащиеся в эритроцитах. Гемоглобин представляет собой тетрамерный белок с мол. массой 68000. В его состав в качестве простетических групп входят четыре молекулы гема, которые присоединены к четырем полипептидным цепям глобина и придают крови характерный красный цвет. Каждый гем содержит один атом двухвалентного железа, непрочно связывающего одну молекулу кислорода (рис. 14.62):
Нb + 4O2 ↔ НbO8.
Рис. 14.62. Строение молекулы гема
Присоединение кислорода к гемоглобину с образованием оксигемоглобина происходит при высоком парциальном давлении кислорода-таком, как в капиллярах легочных альвеол. При низком парциальном давлении кислорода (как в капиллярах метаболически активных тканей) связь между кислородом и гемоглобином становится непрочной, кислород освобождается и диффундирует в окружающие клетки.
Количество кислорода, которое может связаться с гемоглобином, зависит от напряжения кислорода в среде. Последнее выражают как парциальное давление кислорода в атмосфере, находящейся в равновесии с данной средой. Парциальное давление до сих пор выражают в миллиметрах ртутного столба. Например, атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. Кислород составляет около 1/5 атмосферного воздуха; следовательно, его парциальное давление на уровне моря равно примерно 1/5⋅760 = 152 мм рт. ст.
Определяя процент насыщения крови кислородом при различном парциальном давлении O2, получают S-образную кривую, называемую кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 14.63).
Рис. 14.63. Этот график поясняет термины, принятые для описания кривых диссоциации пигментов, переносящих кислород. Напряжение насыщения — это то напряжение кислорода, при котором насыщено кислородом 95% пигмента, а напряжение полунасыщения — то, при котором насыщено кислородом 50% пигмента. (Из Florey, An introduction to general and comparative physiology, 1966, W. B. Saunders and Co.)
Анализ этой кривой показывает, что в физиологическом плане гемоглобин можно считать полностью насыщенным кислородом при таком напряжении О2, при котором фактически насыщается 95% гемоглобина. В примере, приведенном на рис. 14.63, такое напряжение составляет около 73 мм рт. ст. При более высоком парциальном давлении О2 может происходить дальнейшее его поглощение, но 100%-ное насыщение гемоглобина достигается редко. При парциальном давлении кислорода около 30 мм рт. ст. только 50% гемоглобина находится в форме оксигемоглобина, а при нулевом парциальном давлении О2 молекулы гемоглобина вообще не связывают кислород. В области крутого наклона кривой уже при небольшом снижении парциального давления О2 процент насыщения гемоглобина значительно уменьшается. Кислород, освобождаемый пигментом, становится доступным для тканей.
Почему же кривая насыщения имеет S-образную форму? Такая форма кривой объясняется аллостерическим характером взаимодействия гемоглобина с кислородом (разд. 6.6). Когда молекула О2 связывается с атомом двухвалентного железа одного из гемов, конфигурация этого гема слегка изменяется. Это изменение отражается на конфигурации всей молекулы гемоглобина, которая определенным образом меняется. По мере присоединения кислорода к второй и третьей группам гема происходит дальнейшее изменение конфигурации гемоглобина, и в результате каждая последующая молекула О2 присоединяется легче, чем предыдущая (явление кооперативности), так что последний гем связывает кислород в несколько сотен раз легче, чем первый.
Обратный процесс происходит тогда, когда оксигемоглобин оказывается в области низкого парциального давления О2, как это бывает в активно дышащих тканях. Первую молекулу кислорода оксигемоглобин отдает тканям очень легко, но вторая, третья и четвертая молекулы отделяются значительно труднее и только при очень сильном снижении парциального давления O2. При повышении парциального давления СО2 кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо, и это явление называют эффектом Бора (рис. 14.64).
Рис. 14.64. Кривые диссоциации оксигемоглобина при различном парциальном давлении СО2, иллюстрирующие эффект Бора. (Из Garth Chapman, The body fluids and their function, Studies in Biology, № 8, 1967, Arnold.)
Рис. 14.65. Кривые диссоциации оксигемоглобина в крови плода и матери у овцы
Рис. 14.66. Сравнение кривых диссоциации оксигемоглобина у ламы и других млекопитающих
14.13.2. Миоглобин
Миоглобин широко распространен у животных, но наиболее характерен для скелетных мышц млекопитающих. Он обладает высоким сродством к кислороду, поэтому кривая диссоциации оксимиоглобина значительно сдвинута влево по отношению к кривой для оксигемоглобина (рис. 14.67). Действительно, оксигемоглобин начинает отдавать кислород только после того, как парциальное давление О2 падает ниже 20 мм рт. ст. Благодаря этому он играет в покоящейся мышце роль кислородного депо и отдает О2 только тогда, когда исчерпываются запасы оксигемоглобина. По последовательности аминокислот и третичной структуре молекула миоглобина очень сходна с отдельной субъединицей молекулы гемоглобина. Однако молекулы миоглобина не соединяются между собой с образованием тетрамера и не способны поэтому к положительной кооперативности в связывании кислорода. По-видимому, оба белка происходят от общей предковой молекулы.
Рис. 14.67. Сравнение кривых диссоциации оксигемоглобина и оксимиоглобина. Миоглобин остается насыщенным О2 на 80% до тех пор, пока парциальное давление кислорода не падает ниже 20 мм рт. ст. Это означает, что миоглобин удерживает кислород в покоящемся мышечном волокне, но отдает его, когда в результате интенсивной мышечной работы используется весь кислород, доставленный гемоглобином
14.13.3. Окись углерода и гемоглобин
Сродство двухвалентного железа, входящего в состав гемоглобина, к окиси углерода (СО) в несколько сотен раз больше его сродства к кислороду. Поэтому в присутствии даже очень малого количества окиси углерода гемоглобин будет связывать именно ее, а не кислород, и в результате образуется относительно стабильное соединение карбоксигемоглобин. В этом случае кислород уже не может связываться с гемоглобином и перенос кислорода кровью становится невозможным. После вдыхания окиси углерода у человека быстро наступает коллапс, и если его не вывести из отравленной атмосферы, он погибнет от удушья. После удаления пострадавшего из атмосферы, содержащей окись углерода, необходимо провести искусственное дыхание смесью чистого кислорода с СО2, так как напряжение кислорода в воздухе недостаточно для быстрого вытеснения окиси углерода, связанной с гемоглобином.
14.13.4. Транспорт углекислоты
Существуют три способа переноса углекислоты (двуокиси углерода, СО2) кровью.
Перенос в растворенном виде (5%). Большая часть переносимой этим способом углекислоты транспортируется в физически растворенном виде, и лишь очень небольшая часть находится в виде угольной кислоты (Н2СО3).
Перенос в соединении с белком (10-20%). СО2 присоединяется к аминогруппам гемоглобина с образованием карбаминогемоглобина. Количество СО2, способное связаться с гемоглобином, зависит от количества уже связанного гемоглобином кислорода. Чем меньше кислорода связано с гемоглобином, тем больше СО2 может быть перенесено этим способом:
Перенос в виде карбоната (85%). Образующаяся в тканях углекислота проникает путем пассивной диффузии в кровеносное русло и поступает в эритроциты, где, соединясь с водой, образует угольную кислоту. Этот процесс катализируется содержащимся в эритроцитах ферментом карбоангидразой (угольной ангидразой) и протекает менее чем за одну секунду. Угольная кислота диссоциирует затем на ионы водорода и гидрокарбоната (бикарбоната):
СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-.
Когда эритроциты покидают с кровью легкие, содержащийся в них оксигемоглобин (НbO2) имеет слабокислую реакцию и связан с ионами калия (обозначается как КНbO2). В участках с высокой концентрацией СO2 (в тканях) оксигемоглобин легко отдает килород, приобретая при этом сильнощелочную реакцию. В этом состоянии он теряет ионы калия и легко принимает от угольной кислоты ионы водорода, превращаясь в гемоглобиновую кислоту (Н ⋅ Нb). В свою очередь ионы калия связы-ваются с ионами гидрокарбоната, образуя гидрокарбонат калия: