10.2. Функциональные свойства гемоглобина

Основная биологическая роль гемоглобина - участие в газообмене между организмом и внешней средой. Гемоглобин обеспечивает перенос кровью кислорода от легких к тканям и транспорт углекислоты от тканей к легким. Не менее важны и буферные свойства гемоглобина, образующего мощные гемоглобинную и оксигемоглобинную буферные системы крови, способствующие, таким образом, поддержанию кислотно-щелочного рав­новесия в организме.

Кислородная емкость НbО₂ составляет 1,39 мл О₂ на 1 г НbО₂. Способность гемоглобина связывать и отдавать кислород отражается его кислородно-диссоциационной кривой (КДК), характеризующей процент насыщения гемоглобина кислородом в зависимости от парциального давления О₂ (рО₂). Тетрамерные молекулы гемоглобина имеют S-образную форму КДК, что свидетельствует о том, что гемоглобин обеспечивает оптимальное связывание кислорода при относительно низком его парциальном давлении в легких и отдачу — при сравнительно высоком парциальном давлении кислорода в тканях. Максимальная отдача кислорода тканям сочетается с сохранением высокого парциального давления его в крови, что обеспечивает проникновение кислорода в глубь тканей. Величина парциального давления кислорода в мм рт. ст., при которой 50% гемоглобина оксигенировано, является мерой сродства гемоглобина к кислороду и обозначается Р₅₀.

Присоединение кислорода к четырем гемам гемоглобина происходит последовательно. S-образный характер КДК гемоглобина свидетельствует о том, что первая молекула кислорода соединяется с гемоглобином очень медленно, т. е. ее сродство к гемоглобину невелико, поскольку требуется разорвать солевые контакты в молекуле дезоксигемоглобина. Однако присоединение первой молекулы кислорода увеличивает сродство к нему оставшихся трех гемов, и дальнейшая оксигенация гемоглобина происходит значительно быстрее (оксигенация четвертого гема происходит в 500 раз быстрее, чем первого). Следовательно, налицо кооперативное взаимодействие между центрами, связывающими кислород. Закономерности реакции гемоглобина с окисью углерода (СО) те же, что и для кислорода, но сродство гемоглобину к СО почти в 300 раз выше, чем к О₂, что обсловливает высокую ядовитость угарного газа. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, больше половины гемоглобина крови оказывается связанным не с кислородом, а с угарным газом. При этом происходит образование карбоксигемоглобина, неспособного к переносу кислорода.

Регуляторы процесса оксигенации гемоглобина.

Большое влияние на процессы оксигенации и дезоксигенации оказывают водородные ионы, органические фосфаты, неорганические соли, температура, углекислота и некоторые другие вещества, контролирующие величину сродства гемоглобина к кислороду в соответствии с физиологическими запросами организма. Зависимость сродства гемоглобина к кислороду от величины рН среды носит название эф­фекта Бора. Различают «кислый»(рН<6) и «щелочной» эффект Бора (рН>6). Наибольшее физиологическое значение имеет «щелочной» эффект Бора. Его молекулярный механизм обусловлен наличием в молекуле гемоглобина ряда положительно заряженных функциональных групп, константы диссоциации которых значительно выше в дезоксигемоглобине за счет образования солевых мостиков между отрицательно заряженными группами соседних белковых цепей внутри молекулы гемоглобина. В процессе оксигенации вследствие происходящих конформационных изменений молекулы гемоглобина солевые мостики разрушаются, изменяется рН отрицательно заряженных групп и протоны выделяются в раствор. Следовательно, оксигенация приводит к отщеплению протона (Н⁺) от молекулы гемоглобина и, наоборот, изменение величины рН, т.е. косвенно концентрации ионов Н⁺, среды влияет на присоединение к гемоглобину кислорода. Таким образом, Н⁺ становится лигандом, связывающимся преимущественно с дезоксигемоглобином и тем самым уменьшающим его сродство к кислороду, т.е. изменение величины рН в кислую сторону вызывает сдвиг КДК вправо. Процесс оксигенации является эндотермическим, и повышение температуры способствует отщеплению кислорода от молекулы гемоглобина. Следовательно, усиление деятельности органов и повышение температуры крови вызовет сдвиг КДК вправо, и отдача кислорода тканям увеличится.

Своеобразную регуляцию процесса оксигенации осуществляют орга­нические фосфаты, локализующиеся в эритроцитах. В частности, 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ) значительно уменьшает сродство гемоглобина к кислороду, способствуя отщеплению О2 от оксигемоглобина. Влияние ДФГ на гемоглобин возрастает при уменьшении значения рН (в пределах физиологической области), поэтому его влияние на КДК проявляется в большей степени низких величинах рН. ДФГ связывается преимущественно с дезоксигемоглобином в молярных соотношениях 1:1, входя во внутреннюю впадину его молекулы и образуя 4 солевых мостика с двумя α-NH₂-гpyппами остатков валина β-цепей и, по-видимому, с двумя имидазольными группами гистидинов Н-21 (143) β-цепей. Влияние ДФГ уменьшается с увеличением температуры, т.е. процесс связывания ДФГ с молекулой гемоглобина является экзотермическим. Это приводит к тому, что в присутствии ДФГ в значительной мере исчезает зависимость процесса оксигенации от температуры. Следовательно, нормальнее освобождение кислорода кровью делается возможным в широком интервале температур. Аналогичный эффект, хотя и в меньшей степени оказывают АТФ, пиридоксальфосфат и другие органические фосфаты. Таким образом, концентрация органических и фосфатов в эритроцитах оказывает значительное действие на дыхательную функцию гемоглобина, быстро приспосабливая ее к различным физиологическим и патологическим условиям, связанным с нарушением оксигенации (изменение содержания кислорода в атмосфере, кровопотеря, регуляция транспорта кислорода от матери к плоду через плаценту и т. п.). Так, при анемии и гипоксии в эритроцитах увеличивается содержание ДФГ, что сдвигает КДК вправо и вызывает большую отдачу кислорода тканям. Многие нейтральные соли (ацетаты, фосфаты, хлориды калия и натрия) также уменьшают сродство гемоглобина к кислороду. Этот эффект зависит от природы вещества и сходен с эффектом органических фосфатов. В присутствии высокой концентрации соли сродство гемоглобина к кислороду достигает минимума — в одинаковой степени для различных солей и ДФГ, т. е. и соли, и ДФГ конкурируют друг с другом за одни и те же центры свя­зывания на молекуле гемоглобина. Так, например, влияние ДФГ на сродство гемоглобина к кислороду исчезает в присутствии 0,5 М хлорида натрия.

Еще в 1904 г. Бор (Ch. Bohr) показал уменьшение сродства гемоглобина к кислороду при увеличении парциального давления углекислого газа в крови. Увеличение содержания углекислого газа приводит в первую очередь к изменению рН среды, однако значение Р₅о уменьшается в большей степени, чем это следовало бы ожидать при таком уменьшении значения рН. Это обусловлено специфическим взаимоотношением углекислого газа с незаряженными α-NH₂-группами α-цепей, а возможно, и (β-цепей гемоглобина с образованием карбаматов (карбгемоглобина) по следующей схеме:

HbNH₃⁺↔ HbNH₂+H⁺

HbNH₂+СО₂ ↔ HbNHCOO^-+H⁺

Дезоксигемоглобин связывает большее количество углекислого газа, чем НbО₂. В эритроците присутствие ДФГ конкурентно ингибирует образование карбаматов. С помощью карбаматного механизма из организма здоровых людей в покое выводится до 15% углекислого газа. Более 70 % буферной емкости крови обеспечивается находящимся в ней гемоглобином, что приводит и к значительному косвенному участию гемоглобина в переносе углекислого газа. При протекании крови через ткани НbО₂ переходит в дезоксигемоглобин, связывая при этом ионы Н⁺ и переводя тем самым Н₂СО₃ в НСОз. Таким образом, при прямом и косвенном участии гемоглобина связывается более 90% углекислоты, поступающей из тканей в кровь, и переносится в легкие.

Существенно, что все указанные регуляторы сдвига КДК (Н⁺, ДФГ, СО₂) являются взаимосвязанными между собой, что имеет большое значение при ряде возникающих патологических состояний. Так, увеличение концентрации ДФГ в эритроцитах является результатом сложных изменений в их метаболизме, в котором увеличение значения рН является основным условием. При ацидозе и алкалозе также вследствие взаимосвязи между Н⁺ и ДФГ происходит выравнивание величины Р₅₀.