Механізм транспарту кіслароду гемаглабінам
Кісларод з'яўляецца асноўным «палівам», якім клеткі выпрацоўваюць энергію праз клеткавае дыханне. Аднак кісларод нельга транспартаваць у вялікіх колькасцях, проста раствараючыся ў плазме крыві. Растваральнасць кіслароду ў плазме адносна нізкая, што патрабуе значна больш эфектыўнай транспартнай сістэмы. Менавіта тут цэнтральную ролю адыгрывае гемаглабін — асноўны бялок эрытрацытаў. Гемаглабін забяспечвае паглынанне кіслароду ў лёгкіх, транспарт праз крывяносныя пасудзіны і вызваленне ў тканінах па меры неабходнасці. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца механізм транспарту кіслароду гемаглабінам, у тым ліку яго структура, працэсы звязвання і вызвалення кіслароду, а таксама фактары, якія ўплываюць на афіннасць гемаглабіну.
Структура гемаглабіну і чаму яна важная
Гемаглабін (Hb) — складаны бялок, які змяшчаецца ў эрытрацытах (эрытрацытах). У дарослага чалавека найбольш распаўсюджанай формай з'яўляецца гемаглабін А (HbA), які складаецца з чатырох ланцугоў глабіну: двух альфа (α) ланцугоў і двух бэта (β) ланцугоў. Кожны ланцуг глабіну нясе гем-групу, таму адна малекула гемаглабіну мае ў агульнай складанасці чатыры ланцугі гема.
Гем-група змяшчае ў сваім цэнтры атам жалеза (Fe²⁺). Гэта жалеза непасрэдна звязваецца з кіслародам (O₂). Паколькі існуе чатыры гемы, адна малекула гемаглабіну можа звязаць да чатырох малекул кіслароду. Тэтрамерная структура гемаглабіну з'яўляецца не толькі «прыёмнікам» для кіслароду, але і ключом да яго кааператыўных уласцівасцей: звязванне кіслароду з адным гемам уплывае на лёгкасць, з якой кісларод звязваецца з іншымі гемамі.
Структура гемаглабіну можа зведваць канфармацыйныя змены. Проста кажучы, існуе два асноўныя станы: Т (напружаны), які мае ніжэйшую афіннасць да кіслароду, і R (расслаблены), які мае вышэйшую афіннасць. Пераход з Т у R з'яўляецца асновай для эфектыўнага звязвання кіслароду ў лёгкіх і эфектыўнага вызвалення ў тканінах.
Звязванне кіслароду ў лёгкіх
У лёгкіх, асабліва ў альвеалярных капілярах, парцыяльны ціск кіслароду (pO₂) высокі. Кісларод дыфузуе з альвеол у кроў з-за градыенту ціску. Пасля траплення ў эрытрацыты кісларод зварачальна звязваецца з жалезам (Fe²⁺) у геме, утвараючы аксігемаглабін (HbO₂).
Гэта звязванне не з'яўляецца простым працэсам «уключэння-выключэння». Калі адна малекула O₂ звязваецца, гемаглабін перажывае канфармацыйную змену, якая павялічвае яго афіннасць да наступнага сайта. Гэта з'ява станоўчай кааператыўнасці. У выніку сувязь паміж насычэннем гемаглабіну і pO₂ мае сігмападобную форму (S-вобразную форму), а не прамую. Такая сігмападобная форма робіць гемаглабін вельмі эфектыўным: ён лёгка «зараджаецца» пры высокім pO₂ (лёгкія) і лёгка «разраджаецца» свой зарад пры нізкім pO₂ (тканіны).
У нармальных умовах, пры альвеалярным pO₂ каля 100 мм рт.сл., насычэнне гемаглабіну набліжаецца да 97–99%. Гэта азначае, што большасць месцаў звязвання гемаглабіну занятыя кіслародам. Гэта важна для забеспячэння максімальнай здольнасці пераносіць кісларод падчас актыўнасці.
Транспарт кіслароду ў кровазвароте
Пасля таго, як эрытрацыты пакідаюць лёгкія, артэрыяльная кроў пераносіць кісларод па ўсім целе. Кісларод у крыві існуе ў дзвюх формах: звязаны з гемаглабінам (у асноўным) і раствораны ў плазме (вельмі мала). Фізіялагічна раствораны кісларод застаецца важным, таму што ён вызначае pO₂ і спрыяе дыфузіі кіслароду з крыві ў тканіны. Аднак без гемаглабіну агульнае ўтрыманне кіслароду ў крыві рэзка знізілася б, бо плазма не змагла б растварыць дастатковую колькасць кіслароду.
Гемаглабін дзейнічае як кіслародны «буфер». Ён паглынае кісларод, калі яго шмат, і вызваляе яго, калі тканінам ён патрэбны. Гэты механізм падтрымлівае стабільнае паступленне кіслароду, нягледзячы на ваганні патрэбы тканін.
Вызваленне кіслароду ў тканінах
У перыферычных тканінах pO₂ ніжэйшы, чым у лёгкіх, таму што кісларод пастаянна выкарыстоўваецца клеткамі для выпрацоўкі АТФ. Кісларод дыфузіруе з капіляраў у міжтканкавую вадкасць, а затым у клеткі. Па меры памяншэння ўзроўню растворанага кіслароду гемаглабін рэагуе, вызваляючы звязаны кісларод для падтрымання раўнавагі.
Вызваленне кіслароду залежыць ад метабалічнага стану тканіны. Актыўная тканіна (напрыклад, мышцы падчас фізічных нагрузак) выпрацоўвае больш CO₂, больш іонаў вадароду (што зніжае pH) і цяпла, што спрыяе больш лёгкаму вызваленню кіслароду гемаглабінам. Гэта гарантуе, што кісларод будзе даступны менавіта там, дзе ён найбольш патрэбны.
Пры сярэднім pO₂ тканін каля 40 мм рт.сл. насычэнне гемаглабіну кіслародам падае прыблізна да 75%. Гэта азначае, што ў стане спакою прыблізна 25% кіслароду «перадаецца» тканінам. Па меры павелічэння актыўнасці pO₂ тканін можа зніжацца яшчэ больш, дазваляючы гемаглабіну вызваляць больш кіслароду.
Эфект Бора: роля CO₂ і pH
Адным з найважнейшых механізмаў рэгуляцыі вызвалення кіслароду з'яўляецца эфект Бора. Эфект Бора тлумачыць, што павышэнне ўзроўню CO₂ і зніжэнне pH (больш кіслотная рэакцыя) зніжаюць сродства гемаглабіну да кіслароду, зрушваючы крывую дысацыяцыі кіслароду направа. Іншымі словамі, пры тым жа pO₂ гемаглабін будзе пераносіць менш кіслароду і вызваляць больш у тканіны.
Хімічна CO₂ можа рэагаваць з вадой, утвараючы вугальную кіслату, якая затым расшчапляецца на H⁺ і бікарбанат (HCO₃⁻). H⁺ звязваецца з пэўнымі часткамі гемаглабіну, стабілізуючы яго нізкаафінны Т-стан. Акрамя таго, некаторая колькасць CO₂ можа непасрэдна звязвацца з гемаглабінам, утвараючы карбамінагемаглабін, які таксама спрыяе вызваленню кіслароду. Такім чынам, тканіны, якія выпрацоўваюць шмат CO₂, аўтаматычна «запытваюць» больш кіслароду праз змены ў хімічным асяроддзі крыві.
У лёгкіх сітуацыя змяняецца: CO₂ вылучаецца, pH павышаецца, і гемаглабін аднаўляе сваю высокую афіннасць да кіслароду, што дазваляе яму лёгка звязвацца.
Уплыў тэмпературы і метабалічнай актыўнасці
Тэмпература таксама ўплывае на афіннасць гемаглабіну. Павышаная тэмпература, як і ў працуючых цягліцах, зрушвае крывую дысацыяцыі направа, што палягчае вызваленне кіслароду гемаглабінам. І наадварот, пры больш нізкіх тэмпературах гемаглабін мае тэндэнцыю мацней утрымліваць кісларод. Гэта спрыяе большаму размеркаванню кіслароду ў актыўных, цёплых тканінах.
Роля 2,3-BPG у адаптацыі
Эрытрацыты ўтрымліваюць важную малекулу пад назвай 2,3-бісфасфагліцэрат (2,3-БПГ), пабочны прадукт гліколізу. 2,3-БПГ звязваецца з дэаксігенаваным (збяднелым кіслародам) гемаглабінам і стабілізуе яго Т-стан, тым самым зніжаючы яго сродства да кіслароду. У выніку кісларод лягчэй вызваляецца ў тканіны.
Узровень 2,3-BPG можа павышацца пры пэўных умовах, такіх як пражыванне на вялікай вышыні, анемія або хранічная гіпаксія. Павышаны ўзровень 2,3-BPG дапамагае арганізму адаптавацца, спрыяючы большаму вызваленню кіслароду ў тканінах, нягледзячы на больш нізкі ўзровень pO₂ у навакольным асяроддзі.
Крывая дысацыяцыі кіслароду: аснова разумення механізму гемаглабіну
Крывая дысацыяцыі кіслароду і гемаглабіну ілюструе сувязь паміж pO₂ і насычэннем гемаглабіну. Сігмападобная форма адлюстроўвае кааператыўнасць. «Плоская» частка пры высокім pO₂ дапамагае падтрымліваць высокую насычанасць у лёгкіх, нават калі pO₂ нязначна зніжаецца. «Крутая» частка пры сярэдне-нізкім pO₂ робіць вызваленне кіслароду вельмі рэактыўным у тканінах: невялікае зніжэнне pO₂ можа прывесці да значна большага вызвалення кіслароду.
Зрух крывой направа сведчыць аб зніжэнні афіннасці (вылучаецца больш кіслароду), што выклікана павышэннем CO₂, зніжэннем pH, павышэннем тэмпературы і павышэннем 2,3-BPG. Зрух налева сведчыць аб павышэнні афіннасці (кісларод вызваляецца менш лёгка), напрыклад, ва ўмовах нізкага CO₂, высокага pH, нізкай тэмпературы або некаторых тыпаў гемаглабіну.
Выснова
Механізм транспарту кіслароду гемаглабінам з'яўляецца вынікам высокаэфектыўнай фізіялагічнай канструкцыі. Гемаглабін сумесна звязвае кісларод у лёгкіх, транспартуе яго праз кровазварот, а затым вызваляе яго ў тканіны па меры неабходнасці для рэгуляцыі метабалізму. Адчувальнасць гемаглабіну да pH, CO₂, тэмпературы і 2,3-BPG робіць размеркаванне кіслароду адаптыўным: больш актыўныя тканіны аўтаматычна атрымліваюць больш кіслароду. Разуменне гэтага механізму дапамагае растлумачыць многія клінічныя і фізіялагічныя з'явы, ад рэакцыі арганізма на фізічныя нагрузкі да адаптацыі на вялікіх вышынях і парушэння транспарту кіслароду пры розных захворваннях.
