Биологическая химия - часть 145

Кобальт, обнаруживаемый в крови, также находится в белково-связанной

форме и лишь частично как структурный компонент витамина В

12

. Значи-

тельная часть селена в крови входит в состав активного центра фермента

глутатионпероксидазы, а также связана с другими белками.

Клетки крови

У человека в 1 мкл крови содержится 5•10

6

 эритроцитов (красные кровяные

клетки), которые образуются в костном мозге. Зрелые эритроциты человека

и других млекопитающих лишены ядра и почти целиком заполнены

гемоглобином. Средняя продолжительность жизни этих клеток 125 дней.

Разрушаются эритроциты в селезенке и печени. Концентрация гемоглобина

в крови зависит от общего количества эритроцитов и содержания в каждом

из них гемоглобина. Поэтому выделяют гипо-, нормо- и гиперхром-

ную анемию в зависимости от того, сопряжено ли падение уровня гемо-

глобина крови с уменьшением или увеличением его содержания в одном

эритроците.

Большую часть гемоглобина взрослого человека составляет HbA

1

 (96–

98% от общего содержания гемоглобина), в небольшом количестве присут-

ствуют НbА

2

 (2–3%), а также HbF (менее 1%), которого много в крови

новорожденных. У некоторых людей в крови обнаруживаются генетически

обусловленные аномальные гемоглобины (см. главу 2), всего описано более

100 типов таких гемоглобинов. Появление в крови аномальных типов

гемоглобина нередко приводит к возникновению характерных анемий,

которые получили название «гемоглобинопатии», или «гемоглобинозы».

Следует заметить, что в эритроцитах интенсивно протекают гликолиз

и пентозофосфатный путь.

Содержание лейкоцитов в 1 мкл крови составляет около 7•10

3

, т.е.

почти в 1000 раз меньше, чем эритроцитов. Лейкоциты в отличие от

эритроцитов являются полноценными клетками с большим ядром и мито-

хондриями и высоким содержанием нуклеиновых кислот. В них сосредото-

чен весь гликоген крови, который служит источником энергии при недостат-

ке кислорода, например, в очагах воспаления.

Лейкоциты представлены клетками 3 типов: лимфоцитами (26% от

общего числа лейкоцитов), моноцитами (7%) и полиморфно-ядерными

лейкоцитами, или гранулоцитами (70%). При окрашивании различными

красителями выявляются 3 типа гранулоцитов: нейтрофилы, эозинофилы

и базофилы.

Л и м ф о ц и т ы продуцируются в лимфатической ткани, основная их

функция – образование антител, в частности иммуноглобулинов. Моно-

циты вдвое крупнее лимфоцитов; они способны переваривать клетки

бактерий.  Г р а н у л о ц и т ы образуются в красном костном мозге и выполня-

ют различные функции: например, основная функция нейтрофилов – фаго-

цитоз.

Наконец, в крови имеются кровяные пластинки, или тромбоциты, кото-

рые образуются из цитоплазмы мегакариоцитов костного мозга. Тромбо-

циты не могут считаться полноценными клетками, поскольку не содержат

ядра, однако в них протекают все основные биохимические процессы:

синтезируется белок, происходит обмен углеводов и липидов, осуществля-

ется биологическое окисление, сопряженное с фосфорилированием, и т.д.

Основная физиологическая функция кровяных пластинок – участие в процес-

се свертывания крови.

585

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ И КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ
РАВНОВЕСИЕ

Постоянство рН внутренней среды организма обусловлено совместным

действием буферных систем и ряда физиологических механизмов. К послед-

ним относятся дыхательная деятельность легких и выделительная функция

почек.

Кислотно-основное равновесие – относительное постоянство реакции

внутренней среды организма, количественно характеризующееся или концент-

рацией водородных ионов (протонов), выраженной в молях на 1 л, или

водородным показателем – отрицательным десятичным логарифмом этой

концентрации – рН (power hydrogen – сила водорода).

«Первая линия защиты» живых организмов, препятствующая изменени-

ям рН их внутренней среды, обеспечивается буферными системами крови.

Буферная система * представляет собой сопряженную кислотно-основ-

ную пару, состоящую из акцептора и донора водородных ионов (протонов).

Поведение буферных растворов описывается уравнением Гендерсона–

Хассельбаха, которое связывает значение рН с константой кислотности

(К

а

):

Уравнение Гендерсона–Хассельбаха позволяет вычислить величину рК

а

любой кислоты при данном рН (если известно отношение молярных

концентраций донора и акцептора протонов), определить величину рН

сопряженной кислотно-основной пары при данном молярном соотношении

донора и акцептора протонов (если известна величина рК

а

) и рассчитать

соотношение между молярными концентрациями донора и акцептора

протонов при любом значении рН (если известна величина рК

а

 слабой

кислоты).

Буферные системы крови

Установлено, что состоянию нормы соответствует определенный диапазон

колебаний рН крови – от 7,37 до 7,44 со средней величиной 7,40 **. Кровь

представляет собой взвесь клеток в жидкой среде, поэтому ее кислотно-

основное равновесие поддерживается совместным участием буферных си-

стем плазмы и клеток крови. Важнейшими буферными системами крови

являются бикарбонатная, фосфатная, белковая и наиболее мощная гемогло-

биновая.

Бикарбонатная буферная система – мощная и, пожалуй, самая управляе-

мая система внеклеточной жидкости и крови. На долю бикарбонатного

буфера приходится около 10% всей буферной емкости крови. Бикарбонат-

* Буферными свойствами, т.е. способностью противодействовать изменению рН при

внесении в систему кислот или оснований, обладают смеси, состоящие из слабой кислоты и ее

соли с сильным основанием или слабого основания с солью сильной кислоты.

** В других биологических жидкостях и в клетках рН может отличаться от рН крови.

Например, в эритроцитах рН составляет 7,19 ± 0,02, отличаясь от рН крови на 0,2.

586

рН –

 рК

а

 + Ig

[акцептор протонов]

[донор протонов]

ная система * представляет собой сопряженную кислотно-основную пару,

состоящую из молекулы угольной кислоты Н

2

СО

3

, выполняющую роль

донора протона, и бикарбонат-иона НСО

3–

, выполняющего роль акцептора

протона:

Для данной буферной системы величину рН в растворе можно выразить

через константу диссоциации угольной кислоты (рК

Н2СО3

) и логарифм

концентрации недиссоциированных молекул Н

2

СО

3

 и ионов HCO

3–

:

Истинная концентрация недиссоциированных молекул Н

2

СО

3

 в крови

незначительна ** и находится в прямой зависимости от концентрации

растворенного углекислого газа (СО

2

 + Н

2

О <=> Н

2

СО

3

). Поэтому удоб-

нее пользоваться тем вариантом уравнения, в котором рК

H2СО3

 заме-

нена «кажущейся» константой диссоциации Н

2

СО

3

, учитывающей общую

концентрацию растворенного СО

2

 в крови:

где K

1

 – «кажущаяся» константа диссоциации Н

2

СО

3

; [СО

2

(р)] – концентра-

ция растворенного СО

2

.

При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ионов бикарбо-

ната НСО

3

 в плазме крови превышает концентрацию СО

2

 примерно в

20 раз. Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный

регулятор в области рН 7,4.

Механизм действия данной системы заключается в том, что при выделе-

нии в кровь относительно больших количеств кислых продуктов водород-

ные ионы Н

+

 взаимодействуют с ионами бикарбоната НСО

3–

, что при-

водит к образованию слабодиссоциирующей угольной кислоты Н

2

СО

3

.

Последующее снижение концентрации Н

2

СО

3

 достигается в результате

ускоренного выделения СО

2

 через легкие в результате их гипервентиляции

(напомним, что концентрация Н

2

СО

3

 в плазме крови определяется давле-

нием СО

2

 в альвеолярной газовой смеси).

Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодейст-

вуя со слабой угольной кислотой, образуют ионы бикарбоната и воду. При

этом не происходит сколько-нибудь заметных сдвигов в величине рН.

Кроме того, для сохранения нормального соотношения между компонента-

ми буферной системы в этом случае подключаются физиологические

механизмы регуляции кислотно-основного равновесия: происходит задерж-

* Бикарбонаты во внеклеточной жидкости находятся в виде натриевой соли NaHCO

3

и внутри клеток - калиевой соли КНСО

3

, имеющих общий анион НСО

3–

.

** Молярная концентрация Н

2

СО

3

 по сравнению с концентрацией СО

2

 в плазме крови

очень низкая. При Р

СО2

 = 53,3 гПа (40 мм рт. ст.) на 1 молекулу Н

2

СО

3

 приходится примерно

500 молекул СО

2

.

587

Донор

протона

Акцептор

протона

ка в плазме крови некоторого количества СО

2

 в результате гиповентиляции

легких *. Как будет показано далее, данная буферная система тесно связана

с гемоглобиновой системой.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислот-

но-основную пару, состоящую из иона Н

2

РО

4–

 (донор протонов) и иона

НРО

42–

 (акцептор протонов):

Роль кислоты в этой системе выполняет однозамещенный фосфат

NaH

2

PO

4

, а роль соли двузамещенный фосфат – Na

2

HPO

4

.

Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% от буферной

емкости крови. В других тканях эта система является одной из основных.

Для фосфатной буферной системы справедливо следующее уравнение:

Во внеклеточной жидкости, в том числе в крови, соотношение [НРО

42–

]:

[Н

2

РО

4–

] составляет  4 : 1 . Величина рК

Н2РО4–

 равна 6,86.

Буферное действие фосфатной системы основано на возможности связы-

вания водородных ионов ионами НРО

42–

 с образованием Н

2

РО

4–

 (Н

+

 +

+ НРО

42–

 —> Н

2

РО

4–

), а также ионов ОН

–

 с ионами Н

2

РО

4–

 (ОН

–

 +

+ Н

2

РО

4–

 —> HPO

42–

 + H

2

O). Буферная пара (Н

2

РО

4–

–НРО

42–

) способна

оказывать влияние при изменениях рН в интервале от 6,1 до 7,7 и может

обеспечивать определенную буферную емкость внутриклеточной жидкости,

величина рН которой в пределах 6,9–7,4. В крови максимальная емкость

фосфатного буфера проявляется вблизи значения рН 7,2. Фосфатный буфер

в крови находится в тесном взаимодействии с бикарбонатной буферной

системой. Органические фосфаты также обладают буферными свойствами,

но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система имеет меньшее значение для поддержания

КОР в плазме крови, чем другие буферные системы.

Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основ-

ных групп в молекуле белков: белок–Н

+

 (кислота, донор протонов) и белок

(сопряженное основание, акцептор протонов). Белковая буферная система

плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2–7,4.

Гемоглобиновая буферная система – самая мощная буферная система

крови. Она в 9 раз мощнее бикарбонатного буфера; на ее долю приходится

75% от всей буферной емкости крови.

Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью

в транспорте кислорода и углекислого газа. Константа диссоциации кислот-

ных групп гемоглобина меняется в зависимости от его насыщения кислоро-

дом. При насыщении кислородом гемоглобин становится более сильной

кислотой (ННbО

2

). Гемоглобин, отдавая кислород, превращается в очень

слабую органическую кислоту (ННb).

Итак, гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного

гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донор протонов) и калие-

* Следует заметить, что хотя дыхательная система (легкие) значительно влияет на

кислотно-основное равновесие (КОР), однако легким требуется около 1-3 мин, чтобы нивели-

ровать сдвиги его в крови, тогда как буферным системам для этого нужно всего лишь 30 с.

588

Донор

протона

Акцептор

протона