Характеристика главных соединений гемоглобина

Присоединение кислорода к гемоглобину приводит к формированию соединения Hb(O2)4, так как четыре атома железа из молекулы гемоглобина связывают четыре молекулы кислорода. Следовательно, 1 грамм-молекула гемоглобина с массой 64500 г связывает четыре грам-молекулы кислорода с массой 128 г и объемом 89,6 литров (согласно закону Авогадро, 1 грамм-молекула любого газа, занимает объем 22,4 литра). Итак, 1 грамм гемоглобина связывает 1,4 мл кислорода, а максимальная способность фиксации кислорода крови составляет примерно 200 мл/литр или 1000 мл для общего объема циркулирующей крови.

Уникальная способность гемоглобина проявляется на кривой диссоциации оксигемоглобина – процент оксигенированного гемоглобина в зависимости от давления кислорода. Уникальность состоит в том, что эта зависимость не линейная, а имеет специфическую сигмовидную форму со следующими особенностями. Почти полное насыщение гемоглобина кислородом происходит при давлении 100 мм рт.ст. (условия существующие в крови альвеолярных капиллярах); в интервале давления кислорода от 100 и до 60 мм рт.ст. оксигемоглобин не диссоциирует, и процент насыщения остается примерно тем же (90%). Другими словами, гемоглобин остается насыщенным кислородом и не диссоциирует в диапазоне его давлений в альвеолярном воздухе от 100 мм рт.ст. до 60 мм рт.ст. Резкое снижение кривой (и, следовательно, резкая диссоциация оксигемоглобина) отмечается при давлении кислорода около 40 мм рт.ст., т.е., в условиях, типичных для тканей большого круга кровообращения, когда надо отдать кислород. Вышеназванные особенности гемоглобина образуют механизм самоадаптации: чем интенсивнее протекает клеточный метаболизм, тем ниже давление кислорода в тканях, следовательно, диссоциация оксигемоглобина будет быстрой и полной. Таким образом, свойства гемоглобина обеспечивают оптимальное соединение с кислородом в условиях существующих в капиллярах малого круга кровообращения и оптимальную диссоциацию оксигемоглобина в условиях существующих в большом круге кровообращения.

34.4.1. Этиология и патогенез нарушения транспорта кислорода и углекислого газа

Транспорт кислорода зависит от факторов, изменяющие свойства гемоглобина и кривую диссоциации оксигемоглобина: рН, рСО2, температура, структура гемоглобина.

Ацидоз(увеличение концентрации ионов водорода)при гипоксии или физической нагрузке (метаболический ацидоз) уменьшает сродство гемоглобина к кислороду и облегчает отдачу кислорода оксигемоглобином (смещение кривой диссоциации вправо). В условиях ацидоза в тканях оксигемоглобин диссоциирует при концентрации кислорода больше чем 40 мм рт.ст., что увеличивает его утилизацию, увеличивает артеро-венозную разность кислорода и улучшает окислительный (аэробный) метаболизм, ингибируя анаэробный. На обмен газов в легких ацидоз имеет отрицательное влияние, так как отклонение кривой диссоциации гемоглобина вправо препятствует связыванию кислорода с гемоглобином, и, следовательно, препятствует артериализации крови. Однако, благодаря действию бикарбонатной буферной системы, ионы водорода связываются с анионами бикарбоната НСО3^-, формируя угольную кислоту, которая под действием карбоангидразы распадается до воды и углекислого газа, выделяемого из легочных сосудов в альвеолы, что устраняет ацидоз и, таким образом, восстанавливается способность гемоглобина связывать кислород.

Алкалоз оказывает противоположный эффект: кривая оксигемоглобина смещается влево, облегчая связывание кислорода в малом круге кровообращения, но, одновременно, алкалоз препятствует диссоциации оксигемоглобина в тканях большого круга кровообращения при обычном давлении кислорода 40 мм рт.ст.

Гиперкапния (дыхательный ацидоз) влияет на диссоциацию оксигемоглобина посредством увеличения концентрации ионов водорода, которые формируются при диссоциации угольной кислоты - процесс аналогичен описанному при метаболическом ацидозе. В отличие от метаболического ацидоза, гиперкапния имеет противоположное действие в тканях и легких: в то время как в тканях накопление углекислого газа способствует диссоциации оксигемоглобина и полной отдаче кислорода, в малом круге кровообращения, благодаря выходу углекислого газа из крови в альвеолы и уменьшению его концентрации, восстанавливается сродство к кислороду и происходит нормальная артериализация крови. Предполагается, что углекислый газ имеет и прямое действие, уменьшая сродство гемоглобина к кислороду. Таким образом, гиперкапния создает оптимальные условия для диссоциации оксигемоглобина в большом круге кровообращения, но может препятствовать связыванию кислорода в легочныхкапиллярах.

Гипертермия общая или местная (например, в скелетных мышцах при физической нагрузке) уменьшает сродство гемоглобина к кислороду одновременно с отклонением кривой диссоциации вправо, что способствует полной отдаче кислорода. При гипотермии кривая диссоциации оксигемоглобина отклоняется влево, сродство гемоглобина к кислороду растет, что затрудняет отдачу кислорода, уменьшает артеро-венозную разность (артериализация венозной крови), усугубляет тканевую гипоксию.

Аномалии или необычные соединения гемоглобина существенно влияют на эти особенности.

Фетальный гемоглобин (HbF), в отличие от взрослого (HbA), имеем большее сродство к кислороду и, следовательно, труднее отдает кислород тканям.

Образование меттгемоглобина при окислении двухвалентного железа гемоглобина до трехвалентного делает гемоглобин неспособным к связыванию кислорода, и, таким образом, приводит к гипоксии.

Оксид углерода (СО) обладает большим сродством к гемоглобину, чем кислород, образуя с ним стойкое, трудно диссоциирующее соединение (карбоксигемоглобин, HbCO), который конкурентно препятствует связыванию гемоглобина с кислородом, вызывая гипоксию.

Другие формы патологического гемоглобина, которые встречаются при таласемиях, серповидноклеточных анемиях, так же неблагоприятно изменяют способность к фиксации – отдачи кислорода.

Анемия означает уменьшения концентрации и общего количества гемоглобина в крови, что определяет уменьшение общей кислородной емкости крови.

Кислород транспортируется от легких к органам большого круга конвекционным путем. Конвекционный транспорт оксигемоглобина обеспечивается перфузией малого круга кровообращения (функция правого желудочка) и большого круга кровообращения (функция левого желудочка). Путем конвекции кислород подводится к клеткам, примерно, за 20 сек.

Из капилляров большого круга кровообращения до клеток-потребителей кислород транспортируется диффузионным путем. В тканях есть все условия благоприятствующие диссоциации оксигемоглобина и отдаче: давление кислорода низкое (40 мм рт.ст.), высокое давление углекислого газа (46 мм рт.ст.) и повышенная концентрация ионов водорода.

Процесс диссоциации оксигемоглобина происходит за то время, что эритроциты проходят через капилляры – 2-3 сек. За это время оксигемоглобин отдает почти 25% связанного кислорода (содержание кислорода в артериальной крови равно 200 мл/литр крови, в венозной крови - 150 мл/литр; артерио-венозная разница соответствует потреблению кислорода тканями равному 50 мл/литр крови).

Снабжение тканей кислородом зависит от многих факторов: концентрации гемоглобина в крови, способности его присоединять кислород, от кислородной емкости крови (количество кислорода в единице объема крови), от кровотока через орган, способности оксигемоглобина к диссоциации. Эти факторы регулируют снабжение организма кислородом в соответствии с актуальными потребностями.

К причинам, нарушающими транспорт кислорода, относятся следующие: анемии, эритроцитарные мембранопатии, энзимопатии, гемоглобинопатии, сердечно-сосудистая недостаточность кровообращения.

Самыми оперативными приспособительными (компенсаторными) реакциями на гипоксию являются ускорение диссоциации оксигемоглобина и увеличение кровотока посредством сердечно-сосудистых реакций. Другие реакции являются более инертными и включаются позже: увеличение объема циркулирующей крови, интенсификация эритропоэза и др.

Свободный кислород, образованный при диссоциации оксигемоглобина в капиллярах большого круга кровообращения диффундирует в интерстициальное пространство. (Количество кислорода, транспортируемого конвективным путем вместе с фильтрирующейся жидкостью из капилляров в интерстиций намного меньше по сравнению с диффундирующим кислородом).

Вся поверхность капилляров и венул большого круга кровообращения составляет примерно 1000 квадратных метров. Диффузионный барьер, который отделяет кровь от интерстициальной жидкости, состоит из слоя эндотелиоцитов с базальной мембраной разной структуры (с порами,фенестрированная,щелевидная) и, соответственно, различной проницаемостью. В отличие от водорастворимых веществ, которые диффундируют только через интерстициальные пространства, жирорастворимые вещества, включая кислород, диффундируют и через клетки.

Движущей силой диффузии является градиент давления кислорода, равный в капиллярах большого круга кровообращения и интерстиции примерно 55 мм рт.ст.Проникновение кислорода из интерстицияв клетки происходит так же путем диффузии.

Транспорт углекислого газа

Углекислый газ образуется вследствие метаболических реакций в митохондриях, откуда диффундирует в цитоплазму, интерстициальную жидкость, а затем в капилляры большого круга кровообращения. Диффузия углекислого газа по направлению градиента концентрации (давления) проходит очень энергично, благодаря высокому коэффициенту диффузии этого газа. Транспорт углекислого газа от капилляров большого круга кровообращения к легким происходит путем конвекции, посредством передвижения с кровью, примерно за 20 сек.

Из всего количества углекислого газа, выделившегося в капилляры большого круга кровообращения, только 10% остается в плазме в физически растворенной форме, в виде угольной кислоты и в связанном виде с белковыми аминогруппами. Остальное количество углекислого газа (90%), переходит в эритроциты: 5% из этого количества остается в эритроцитах в физически растворенной форме (ион водорода, образованный при диссоциации угольной кислоты внутри клетки, связывается с восстановленным гемоглобином), 21% связывается с восстановленным гемоглобином, образуя карбгемоглобин, а остальной углекислый газ (примерно 64%) связывается с водой посредством карбоангидразы, образуя угольную кислоту (которая так же диссоциирует на ионы водорода и бикарбоната). (Установлено, карбоангидраза участвует также в реабсорбции бикарбоната в почечных канальцах, секреции соляной кислоты слизистой желудка и секреции бикарбоната поджелудочной железой). В последующем, анион НСО3^- выходит из эритроцита в кровь, будучи замещенным ионом хлора, который входит из плазмы в эритроцит.

Таким образом, деоксигенированный гемоглобин играет двойную роль: с одной стороны, принимает значительное количество углекислого газа, с другой стороны - связывает водород, который образуется при диссоциации угольной кислоты. Присоединение ионов водорода к гемоглобину усиливает реакцию ферментативной гидратации углекислого газа и диссоциацию оксигемоглобина, и, в итоге, способствует диффузии кислорода из эритроцита и углекислого газа в эритроцит. Это проявляется отчетливо при дыхании кислородом при высоком давлении, когда количество растворенногов крови кислорода настолько велико, что оно удовлетворяет потребности организма, а оксигемоглобин в капиллярах не деоксигенируется, оставаясь на 100% насыщенным кислоролдом в виде оксигемоглобина. При отсутствии в тканях восстановленного гемоглобина резко падает способность транспортировать углекислый газ и ионы водорода, их концентрация в тканях и крови растет (избыток углекислого газа в крови равный 5 мм рт.ст. равноценно ингаляции газовой смеси с содержанием углекислого газа равным 7%). Таким образом, в эритроцитах в капиллярях большого круга кровообращения происходит совокупные химические реакции,имеющие существенное значение в транспорте кислорода, углекислого газа и ионов водорода.

В капиллярах малого круга кровообращения описанный выше процесс протекает в противоположном направлении. Дегидратация карбоновой кислоты происходит также с участием карбоангидразы, которое имеет обратное действие. Конечный результат – это диффузия углекислого газа из эритроцитов в кровь, а затем в альвеолы, а кислорода – наоборот.

Оценивая эффективность транспорта газов, можно заключить следующее. Общий дебит кислорода с артериальной кровью равен примерно 1,09 литр/мин/организм, венозный дебит кислорода – 0,84 литр/мин/организм, артерио - венозная разница и потребление кислорода – 0,25литр/мин/организм (следовательно, лишь 23% всего кислорода крови используется организмом).

Венозный дебит углекислого газа, транспортируемого от тканей, равен 2,97 литр/мин/организм, а артериальный дебит (углекислый газ, остающийся в артериальной крови после малого круга) – 2,75 литр/мин/организм. Следовательно, венозо-артериальная разница по углекислому газу составляет 0,22 литр/мин/организм, а эффективность транспорта равна 7%. Дыхательный коэффициент (отношение между образовавшимся углекислым газом и потребленным кислородом) равен, в среднем, 0,88 и зависит от веществ, которые подвергаются окислению (жиры, белки, углеводы).

Серьезные, даже фатальные, нарушения транспорта углекислого газа в сочетание с тяжелым ацидозом развиваются при гипербарической гипероксемии.

Нарушения транспорта ионов водорода

Концентрация водородных ионов во внутренней среде организма поддерживается гомеостатически вокруг значения рН равного 7,36, что соответствует слабощелочной реакции крови. В физиологических условиях ионы водорода транспортируются в составе угольной кислоты и в ассоциации с восстановленным гемоглобином. Нарушения транспорта и эллиминации ионов водорода из организма наступают при атмосферной гиперкапнии, при нарушениях дыхания (дыхательный ацидоз), почечных расстройствах (экскреторный ацидоз) и при гипербарической гипероксемии.

Проявленияминарушения транспорта газов являются гипоксемия, гиперкапния, ацидоз.