Часть IV. Физиология систем внутренних органов

По сравнению с миоглобином гемоглобин имеет значительно более низкое сродство к О2; полунасыщение гемоглобина О2 наступает при более высоком давлении О2 (около 26 мм рт.ст.). Кривая диссоциации (рис. 23.22, а) для гемоглобина имеет сигмоидную форму (S-образную). Это указывает на то, что протомеры гемоглобина работают кооперативно: чем больше О2 отдают протомеры, тем легче идет отщепление последующих молекул О2 (рис. 23.23).

Кооперативный эффект присоединения O2 к гемоглобину. Присоединение O2 к атому Fe2+ одного протомера вызывает его перемещение в плоскость гема, а за ним и остатка гистидина, связанного с ним. Это приводит к изменению конформации всех полипептидных цепей за счет их конформационной лабильности. Изменение конформации других цепей облегчает их взаимодействие со следующими молекулами О2. Четвертая молекула О2 присоединяется к гемоглобину в 300 раз легче, чем первая. В тканях каждая следующая молекула O2 отщепляется легче, чем предыдущая, также за счет кооперативных изменений конформации протомеров.

Биологический смысл формы кривой диссоциации оксигемоглобина. Конфигурация кривой диссоциации оксигемоглобина имеет важное значение с точки зрения переноса кислорода кровью. В капиллярах покоящихся мышц, где давление О2 составляет около 40 мм рт.ст., большая часть кислорода возвращается в составе оксигемоглобина обратно в легкие. При физической работе давление О2 в капиллярах мышц падает до 10–20 мм рт.ст. Именно в этой области (от 10 до 40 мм рт.ст.) располагается «крутая часть» S-образной кривой, где в наибольшей степени проявляется свойство кооперативной работы протомеров.

В процессе поглощения кислорода в легких напряжение О2 в крови (pO2) приближается к таковому в альвеолах. У молодых людей парциальное напряжение кислорода в артериальной крови (paO2) составляет около 95 мм рт.ст. При таком напряжении насыщение гемоглобина кислородом равно примерно 97%. С возрастом (и в еще большей степени при заболеваниях легких) paО2 может значительно снижаться, однако, поскольку кривая диссоциации оксигемоглобина в правой ее части почти горизонтальна (см. рис. 23.22), насыщениекрови кислородом уменьшается ненамного. Так, даже при падении рО2 в артериальной крови до 60 мм рт.ст. (8,0 кПа) насыщение гемоглобина кислородом равно 90%. Таким образом, благодаря тому, что области высоких напряжений кислорода соответствует горизонтальный участок кривой диссоциации оксигемоглобина, предупреждается существенное снижение насыщения артериальной крови кислородом.

Рис. 23.22. Факторы, влияющие на кривую диссоциации оксигемоглобина: а — кривые диссоциации для миоглобина и гемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода; б–д — влияние различных параметров крови на сродство гемоглобина к О2: б — влияние напряжения СО2; в — влияние температуры; г — влияние рН; д — влияние различных концентраций 2,3-бифосфоглицерата (БФГ)

Рис. 23.23. Изменение конформации протомера гемоглобина при соединении с O2

Форма кривой диссоциации НbО2 обусловлена главным образом реакционной способностью гемоглобина, однако сродство крови к кислороду может измениться под действием других факторов, как правило, приводящим к увеличению или уменьшению наклона кривой диссоциации без изменения ее S-образной формы. Такое влияние оказывают температура, рН, напряжение СО2 и некоторые другие факторы, роль которых возрастает при патологических состояниях (см. рис. 23.22, б–д).

Влияние рН и рСО2. Особенно существенно влияние pH: уменьшение водородного показателя (сдвиг в кислую сторону — в зону ацидоза) сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина вправо (что способствует диссоциации HbО2), тогда как увеличение pH (сдвиг в щелочную сторону — в зону алкалоза) сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина влево (что увеличивает сродство Hb к О2).

Воздействие же pCO2 на кривую диссоциации оксигемоглобина осуществляется преимущественно через изменение значений водородного показателя: при поступлении СО2 в кровь происходит уменьшение pH, что способствует диссоциации HbО2 и диффузии О2 из крови в ткани. Напротив, в легких CO2 диффундирует из крови в альвеолы, что вызывает увеличение pH, то есть способствует связыванию О2 с Hb. Это влияние CO2 и H+ на аффинитет О2 к Hb (увеличение напряжения СО2 в крови сопровождается снижением сродства гемоглобина к кислороду) известно как эффект Кристиана Бора (отец великого физика Нильса Бора). Таким образом, эффект Бора обусловлен изменением pH при увеличении содержания СО2 и лишь частично — связыванием СО2 с Hb.

Биологический смысл эффекта Бора. Эффект Бора имеет определенное значение как для поглощения кислорода в легких, так и для его высвобождения в тканях. В легких поглощение О2 идет одновременно с выделением СО2, поэтому по мере насыщения гемоглобина кислородом кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается влево. В тканях одновременно с выходом О2 из крови в нее поступает СО2, и кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо. Снижение сродства гемоглобина к кислороду приводит к еще большему падению содержания HbО2, и в результате О2 поступает в ткани при относительно высоком pO2 в капилляре. Таким образом, эффект Бора способствует связыванию кислорода в легких и отдаче его в тканях.

На форму и угол наклона кривой диссоциации оксигемоглобина оказывают выраженное влияние некоторые фосфорсодержащие органические соединения. Наибольший эффект среди таких соединений оказывает 2,3-бифосфоглицерат (БФГ). Концентрация БФГ в эритроцитах людей, живущих в определенных климатических условиях, — величина постоянная. Однако в период адаптации к высокогорью, когда человек поднимается на высоту более 4000 м над уровнем моря, концентрация БФГ уже через 2 сут возрастает почти в 2 раза (от 4,5 до 7,0 мМ). Это снижает сродство гемоглобина к О2 и увеличивает количестве О2, транспортируемого в ткани. Такую же адаптацию наблюдают у больных с заболеваниями легких, при которых развивается общая гипоксия тканей. Так, у больных с тяжелой обструктивной эмфиземой легких парциальное давление в них снижается от 100 до 50 мм рт.ст. Но при этом в эритроцитах усиливается выработка БФГ, и его концентрация повышается с 4,5 до 7,0 мМ, что существенно увеличивает доставку О2 в ткани (см. рис. 23.22, д).

Особенности кривой диссоциации оксигемоглобина у плода. В плаценте, как и в любом другом органе, газообмен осуществляется путем диффузии (рис. 23.24). В то же время особое внимание следует обратить на различие в сродстве крови матери и плода к кислороду. При анализе в одинаковых условиях наклон кривой диссоциации оксигемоглобина в крови плода несколько больше, чем в крови матери, однако in vivo эта разница почти целиком сводится на нет благодаря эффекту Бора (рН крови плода несколько ниже, чем рН материнской крови). В связи с этим разница в сродстве крови матери и плода к кислороду практически не отражается на газообмене в плаценте. Такая ситуация наиболее благоприятна для обмена газов, что становится очевидным, если учесть различия в концентрации гемоглобина в крови матери и плода к моменту рождения.

Рис. 23.24. Кривые диссоциации оксигемоглобина для крови плода и крови матери. Центральная линия — кривая диссоциации оксигемоглобина для нормальной крови взрослого человека, находящегося в стандартных условиях