Биологическая химия - часть 147

Рис. 17.6. Кривая насыщения гемоглобина кислородом. Объяснение в тексте.

а каждый грамм гемоглобина – 1,34 мл кислорода. Содержание гемогло-

бина в крови здорового человека составляет 13–16%, т.е. в 100 мл крови

13–16 г гемоглобина. При Р

О2

 в артериальной крови 107–120 гПа гемогло-

бин насыщен кислородом на 96%. Следовательно, в этих условиях 100 мл

крови содержит 19–20 об. % кислорода:

В венозной крови в состоянии покоя Р

О2

 = 53,3 гПа, и в этих условиях

гемоглобин насыщен кислородом лишь на 70–72%, т.е. содержание кисло-

рода в 100 мл венозной крови не превышает

Артериовенозная разница по кислороду * будет около 6 об. %. Таким

образом, за 1 мин ткани в состоянии покоя получают 200–240 мл кислоро-

да (при условии, что минутный объем сердца в покое составляет 4 л).

Возрастание интенсивности окислительных процессов в тканях, напри-

мер при усиленной мышечной работе всегда связано с более полным

извлечением кислорода из крови. Кроме того, при физической работе резко

увеличивается скорость кровотока. Зависимость между степенью насыще-

ния гемоглобина кислородом и Р

О2

, можно выразить в виде кривой насыще-

ния гемоглобина кислородом, или кривой диссоциации оксигемоглобина,

которая имеет S-образную форму и характеризует сродство гемоглобина

к кислороду (рис. 17.6).

Характерная для гемоглобина S-образная кривая насыщения кислоро-

дом свидетельствует, что связывание первой молекулы кислорода одним из

* Артериовенозная разница по кислороду в разных органах далеко не одинакова и зависит

от уровня метаболизма органа. В миокарде она составляет 12, в мозге - 6, в пищеварительном

тракте - 3, в почках - 1,5 об. %.

593

100

Насыщени

е

 кислородом

, %

0

Содержание кислорода

Нормальный НbА

α

2

β

2

 (кооперативное

связывание О

2

)

Первая

молекула

повышает

повышает

повышает

Гем в гемоглобине

= 19,3 мл кислорода (в среднем 19–20 об. %).

15•1,34•96

100

15•1,34•70

100

= 14,1 мл кислорода (около 14 об. %).

О

2

О

2

О

2

О

2

гемов гемоглобина облегчает связывание последующих молекул кислорода

тремя другими оставшимися гемами. Долгое время механизм, лежащий

в основе этого эффекта, оставался загадкой, так как, по данным рентгено-

структурного анализа, 4 гема в молекуле гемоглобина довольно далеко

отстоят друг от друга и вряд ли могут оказывать взаимное влияние.

В последнее время принято следующее объяснение происхождения S-образ-

ной кривой. Считают, что тетрамерная молекула гемоглобина способна

обратимо распадаться на две половинки, каждая из которых содержит одну

α-цепь и одну β-цепь:

При взаимодействии молекулы кислорода с одним из четырех гемов

гемоглобина кислород присоединяется к одной из половинок молекулы

гемоглобина (допустим, к α-цепи этой половинки). Как только такое

присоединение произойдет, α-полипептидная цепь претерпевает конформа-

ционные изменения, которые передаются на тесно связанную с ней β-цепь;

последняя также подвергается конформационным сдвигам. β-Цепь присо-

единяет кислород, имея уже большее сродство к нему. Таким путем

связывание одной молекулы кислорода благоприятствует связыванию вто-

рой молекулы (так называемое кооперативное взаимодействие).

После насыщения кислородом одной половины молекулы гемоглобина

возникает новое, внутреннее, напряженное состояние молекулы гемоглоби-

на, которое вынуждает и вторую половину гемоглобина изменить конфор-

мацию. Теперь еще две молекулы кислорода, по-видимому, по очереди

связываются со второй половинкой * молекулы гемоглобина, образуя

оксигемоглобин.

S-образная форма кривой насыщения гемоглобина кислородом имеет

большое физиологическое значение. При такой форме кривой обеспечивает-

ся возможность насыщения крови кислородом при изменении Р

О2

 в доволь-

но широких пределах. Например, дыхательная функция крови существенно

не нарушается при снижении Р

О2

 в альвеолярном воздухе со 133,3 до

80–93,3 гПа. Поэтому подъем на высоту до 3,0–3,5 км над уровнем моря не

сопровождается развитием выраженной гипоксемии.

Численно сродство гемоглобина к кислороду принято выражать величи-

ной Р

50

 – парциальное напряжение кислорода, при котором 50% гемогло-

бина связано с кислородом (рН 7,4 температура 37°С). Нормальная

величина Р

50

 около 34,67 гПа (см. рис. 17.6). Смещение кривой насыщения

гемоглобина кислородом вправо означает уменьшение способности гемо-

глобина связывать кислород и, следовательно, сопровождается повышени-

ем Р

50

. Напротив, смещение кривой влево свидетельствует о повышенном

сродстве гемоглобина к кислороду, величина Р

50

 снижена.

Ход кривой насыщения гемоглобина кислородом или диссоциации

оксигемоглобина зависит от ряда факторов. Сродство гемоглобина к кисло-

роду в первую очередь связано с рН. Чем ниже рН, тем меньше способность

гемоглобина связывать кислород и тем выше Р

50

. В тканевых капиллярах

рН ниже (поступает большое количество СО

2

), в связи с чем гемоглобин

* Термин «субъединица» не вполне однозначен в применении к молекуле гемоглобина, так

как она содержит четыре структурных элемента (две α-цепи и две β-цепи), но имеет при этом

только две функциональные субъединицы, а именно две αβ-половинки.

594

ααββ

αβ

 + αβ

Молекула

гемоглобина

Две половинки молекулы

гемоглобина

легко отдает кислород. В легких СО

2

 выделяется, рН повышается и гемо-

глобин активно присоединяет кислород.

Способность гемоглобина связывать кислород зависит также от темпе-

ратуры. Чем выше температура (в тканях температура выше, чем в легких),

тем меньше сродство гемоглобина к кислороду. Напротив, снижение

температуры вызывает обратные явления.

Количество гемоглобина в крови, а также в какой-то мере его способ-

ность связывать кислород (характер кривой диссоциации оксигемоглобина)

несколько меняются с возрастом. Например, у новорожденных содержание

гемоглобина доходит до 20–21% (вместо обычных для взрослого 13–16%).

У человека имеется несколько гемоглобинов, которые образуются в различ-

ном количестве в разные стадии онтогенеза и различаются по своему

сродству к кислороду.

Рассмотрим нарушения дыхательной функции крови при некоторых

патологических состояниях.

Различные формы гипоксии

Гипоксия (кислородное голодание) – состояние, возникающее при недоста-

точном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его

утилизации в процессе биологического окисления. Согласно классификации,

предложенной И.Р. Петровым, гипоксии делятся на 2 группы:

1. Гипоксия вследствие понижения Р

О2

 во вдыхаемом воздухе (экзоген-

ная гипоксия).

2. Гипоксия при патологических процессах, нарушающих снабжение

тканей кислородом при нормальном содержании его в окружающей среде.

Сюда относятся следующие типы: а) дыхательный (легочный); б) сердечно-

сосудистый (циркуляторный); в) кровяной (гемический); г) тканевый (гис-

тотоксический); д) смешанный.

Гипоксия вследствие понижения парциального давления кислорода во

вдыхаемом воздухе. Этот вид гипоксии возникает главным образом при

подъеме на высоту. Может наблюдаться и в тех случаях, когда общее

барометрическое давление нормальное, но Р

О2

 понижено: например, при

аварии в шахтах, неполадках в системе кислородообеспечения кабины

летательного аппарата, в подводных лодках и т.п., а также во время

операций при неисправности наркозной аппаратуры. При экзогенной гипок-

сии развивается гипоксемия, т.е. уменьшается Р

О2

 в артериальной крови

и снижается насыщение гемоглобина кислородом.

Гипоксия при патологических процессах, нарушающих снабжение или

утилизацию кислорода тканями.  Д ы х а т е л ь н ы й  ( л е г о ч н ы й ) тип ги-

п о к с и и возникает в связи с альвеолярной гипервентиляцией, что может

быть обусловлено нарушением проходимости дыхательных путей (воспали-

тельный процесс, инородные тела, спазм), уменьшением дыхательной по-

верхности легких (отек легкого, пневмония и т.д.). В подобных случаях

снижаются Р

О2

 в альвеолярном воздухе и напряжение кислорода в крови,

в результате чего уменьшается насыщение гемоглобина кислородом. Обыч-

но нарушается также выведение из организма углекислого газа, и к гипок-

сии присоединяется гиперкапния.

Сердечно-сосудистый (циркуляторный) тип гипоксии наблю-

дается при нарушениях кровообращения, приводящих к недостаточному

кровообращению органов и тканей. Для газового состава крови в типичных

случаях циркуляторной гипоксии характерны нормальные напряжение и со-

595

держание кислорода в артериальной крови, снижение этих показателей

в венозной крови и высокая артериовенозная разница по кислороду.

К р о в я н о й  ( г е м и ч е с к и й ) тип  г и п о к с и и возникает в результате

уменьшения кислородной емкости крови при анемиях, обусловленных

значительным уменьшением эритроцитной массы или резким понижением

содержания гемоглобина в эритроцитах. В этих случаях Р

О2

 в венозной

крови резко снижено.

Гемическая гипоксия наблюдается также при отравлении оксидом угле-

рода (образование карбоксигемоглобина) и метгемоглобинообразователя-

ми (метгемоглобинемия), а также при некоторых генетически обусловлен-

ных аномалиях гемоглобина. При образовании карбоксигемоглобина и

метгемоглобина напряжение кислорода в венозной крови и тканях оказыва-

ется значительно пониженным, одновременно уменьшается артериовеноз-

ная разница содержания кислорода.

Т к а н е в ы й  ( г и с т о т о к с и ч е с к и й ) тип  г и п о к с и и обычно обусловлен

нарушением способности тканей поглощать кислород из крови. Утилизация

кислорода тканями может затрудняться в результате угнетения биологи-

ческого окисления различными ингибиторами, нарушения синтеза фермен-

тов или повреждения мембранных структур клетки. Типичным примером

тканевой гипоксии может служить отравление цианидами. Попадая в орга-

низм, ионы CN

–

 активно взаимодействуют с трехвалентным железом, тем

самым блокируя конечный фермент дыхательной цепи – цитохромоксидазу,

в результате чего подавляется потребление кислорода клетками. Иными

словами, при гистотоксической гипоксии ткани не в состоянии извлекать

кислород из тканевых капилляров даже при высоком Р

О2

.

Перенос углекислого газа кровью от тканей к легким

В организме человека, не выполняющего физической работы (состояние

покоя), от тканей к легким каждую минуту переносится примерно 180 мл

углекислого газа. Эту величину легко рассчитать. Если дыхательный коэф-

фициент равен 0,85, то при поглощении тканями в покое 200 мл кислорода

в минуту должно образовываться около 170 мл углекислого газа (200•0,85).

На самом деле величина несколько больше, поскольку количество погло-

щаемого в покое кислорода колеблется от 200 до 240 мл в минуту.

В целом за сутки с вдыхаемым воздухом в организм человека поступает

примерно 600 л кислорода и выделяется в окружающую среду 480 л

углекислого газа (примерно 942,8 г), что соответствует 21,4 моль углекисло-

го газа.

Организм располагает несколькими механизмами переноса СО

2

 от

тканей к легким. Часть его переносится в физически растворенном виде.

Растворимость СО

2

 в плазме крови в 40 раз превышает растворимость

в ней кислорода, тем не менее при небольшой артериовенозной разнице

Р

СО2

 (напряжение СО

2

 в венозной крови, притекающей к легким по легочной

артерии, равно 60 гПа, а в артериальной крови – 53,3 гПа) в физически

растворенном виде может быть перенесено в покое 12–15 мл СО

2

, что

составляет 6–7% от всего количества переносимого углекислого газа.

Некоторое количество СО

2

 может переноситься в виде карбаминовой

формы. Оказалось, что СО

2

 может присоединяться к гемоглобину посред-

ством карбаминовой связи, образуя карбгемоглобин, или карбаминогемо-

глобин (впервые мысль о наличии углекислого газа, непосредственно

связанного с гемоглобином, была высказана И.М. Сеченовым):

596