Эффект Бора

Кристиан Бор, которому приписывают открытие эффекта в 1904 году.

Эффект Бора - это явление, впервые описанное в 1904 году датским физиологом Кристианом Бором . Аффинность связывания кислорода гемоглобином (см. Кривую диссоциации кислород-гемоглобин ) обратно пропорциональна как кислотности, так и концентрации углекислого газа. ^[1] То есть эффект Бора относится к сдвигу кривой диссоциации кислорода, вызванному изменениями концентрации углекислого газа или pH окружающей среды. Так как диоксид углерода вступает в реакцию с водой с образованием угольной кислоты , увеличение СО ₂ приводит к уменьшению в крови рН , ^[2]в результате белки гемоглобина высвобождают кислород. И наоборот, снижение содержания углекислого газа вызывает повышение pH, в результате чего гемоглобин поглощает больше кислорода.

Экспериментальное открытие [ править ]

Исходные кривые диссоциации из экспериментов Бора в первом описании эффекта Бора, демонстрирующие уменьшение сродства к кислороду при увеличении парциального давления диоксида углерода. Это также один из первых примеров кооперативного связывания. Ось X: парциальное давление кислорода в мм рт. Ст. , Ось Y% оксигемоглобина . Кривые были получены с использованием цельной крови собаки , за исключением пунктирной кривой, для которой использовалась кровь лошади .

В начале 1900-х годов Кристиан Бор был профессором Копенгагенского университета в Дании, уже хорошо известного своими работами в области физиологии дыхания. ^[3] Он провел последние два десятилетия, изучая растворимость кислорода, диоксида углерода и других газов в различных жидкостях, ^[4] и провел обширные исследования гемоглобина и его сродства к кислороду. ^[3] В 1903 году он начал тесно сотрудничать с Карлом Хассельбалхом и Августом Крогом , двумя его сотрудниками в университете, в попытке экспериментально воспроизвести работу Густава фон Хюфнера , используя цельную кровь вместо раствора гемоглобина. ^[1]Хюфнер предположил, что кривая связывания кислород-гемоглобин имеет гиперболическую форму ^[5], но после обширных экспериментов копенгагенская группа определила, что кривая на самом деле является сигмоидальной . Более того, в процессе построения многочисленных кривых диссоциации вскоре стало очевидно, что высокие парциальные давления углекислого газа вызывают сдвиг кривых вправо. ^[4] Дальнейшие эксперименты с изменением концентрации CO ₂ быстро предоставили убедительные доказательства, подтверждающие существование того, что вскоре стало известно как эффект Бора. ^[1]

Противоречие [ править ]

Есть еще несколько споров о том, был ли Бор на самом деле первым, кто обнаружил связь между CO ₂ и кислородным сродством, или же русский физиолог Бронислав Вериго  [ ru ] опередил его, якобы обнаружив эффект в 1898 году, за шесть лет до Бора. ^[6] Хотя это никогда не было доказано, Вериго действительно опубликовал статью о взаимосвязи гемоглобина и CO ₂ в 1892 году. ^[7] Предложенная им модель была ошибочной, и Бор резко критиковал ее в своих публикациях. ^[1]

Другой вызов открытию Бора исходит из его лаборатории. Хотя Бор сразу взял на себя всю заслугу, его соратник Крог, который изобрел прибор, используемый для измерения концентраций газов в экспериментах ^[8], утверждал на протяжении всей своей жизни, что он сам фактически был первым, кто продемонстрировал эффект. Хотя есть некоторые свидетельства, подтверждающие это, задним числом изменить название известного явления было бы крайне непрактично, поэтому он остается известным как эффект Бора. ^[4]

Физиологическая роль [ править ]

Эффект Бора увеличивает эффективность транспортировки кислорода через кровь. После того, как гемоглобин связывается с кислородом в легких из-за высоких концентраций кислорода, эффект Бора способствует его высвобождению в тканях, особенно в тех тканях, которые больше всего нуждаются в кислороде. Когда скорость метаболизма ткани увеличивается, увеличивается и выработка углекислого газа. При попадании в кровоток углекислый газ образует бикарбонат и протоны в результате следующей реакции:

${\ displaystyle {\ ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H + + HCO3 ^ -}}}$

Хотя эта реакция обычно протекает очень медленно, фермент карбоангидраза (который присутствует в красных кровяных тельцах ) резко ускоряет превращение в бикарбонат и протоны. ^[2] Это вызывает снижение pH крови, что способствует диссоциации кислорода от гемоглобина и позволяет окружающим тканям получать достаточно кислорода для удовлетворения своих потребностей. В областях с высокой концентрацией кислорода, таких как легкие, связывание кислорода заставляет гемоглобин высвобождать протоны, которые рекомбинируют с бикарбонатом для удаления диоксида углерода во время выдоха . Эти противоположные реакции протонирования и депротонирования происходят в равновесии, что приводит к небольшому общему изменению pH крови.

Эффект Бора позволяет организму адаптироваться к меняющимся условиям и дает возможность поставлять дополнительный кислород тканям, которые в нем больше всего нуждаются. Например, когда мышцы подвергаются напряженной деятельности, им требуется большое количество кислорода для клеточного дыхания , которое генерирует CO ₂ (и, следовательно, HCO ₃ ^- и H ⁺ ) в качестве побочных продуктов. Эти продукты жизнедеятельности снижают pH крови, что увеличивает доставку кислорода к активным мышцам. Углекислый газ - не единственная молекула, которая может вызвать эффект Бора. Если мышечные клетки не получают достаточно кислорода для клеточного дыхания, они прибегают к ферментации молочной кислоты , которая высвобождает молочную кислоту.как побочный продукт. Это увеличивает кислотность крови намного больше, чем один CO ₂ , что отражает еще большую потребность клеток в кислороде. Фактически, в анаэробных условиях мышцы вырабатывают молочную кислоту так быстро, что pH крови, проходящей через мышцы , упадет примерно до 7,2, в результате чего гемоглобин начнет выделять примерно на 10% больше кислорода. ^[2]

Величина эффекта Бора выражается как наклон на этом графике. Более крутой наклон означает более сильный эффект Бора.${\ textstyle {\ scriptstyle \ Delta \ log (P_ {50}) \ over \ Delta {\ text {pH}}}}$

Сила эффекта и размер тела [ править ]

Величина эффекта Бора обычно определяется наклоном кривой vs, где P 50 относится к парциальному давлению кислорода, когда занято 50% сайтов связывания гемоглобина. Наклон обозначен: где означает изменение. То есть обозначает изменение и изменение . Сила эффекта Бора обратно пропорциональна размеру организма: величина увеличивается с уменьшением размера и веса. Например, мыши обладают очень сильным эффектом Бора со значением -0,96, что требует относительно небольших изменений концентраций H ⁺ или CO ₂ , в то время как слоны${\ textstyle \ log (P_ {50})}$${\ textstyle {\ text {pH}}}$${\ textstyle {\ scriptstyle \ Delta \ log (P_ {50}) \ over \ Delta {\ text {pH}}}}$${\ textstyle \ Delta}$${\textstyle \Delta \log(P_{50})}$${\textstyle \log(P_{50})}$${\textstyle \Delta {\text{pH}}}$${\textstyle {\text{pH}}}$${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$для достижения гораздо более слабого эффекта требуются гораздо большие изменения концентрации . ^[9]${\textstyle \left({\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}=-0.38\right)}$

Механизм [ править ]

Аллостерические взаимодействия [ править ]

Эффект Бора основан на аллостерических взаимодействиях между гемами тетрамера гемоглобина , механизм, впервые предложенный Максом Перуцем в 1970 году. ^[10] Гемоглобин существует в двух конформациях: R-состояние с высоким сродством и T-состояние с низким сродством. Когда уровни концентрации кислорода высоки, как в легких, предпочтительнее состояние R, что позволяет максимальному количеству кислорода связываться с гемами. В капиллярах, где уровни концентрации кислорода ниже, предпочтительнее состояние Т, чтобы облегчить доставку кислорода к тканям. Эффект Бора зависит от этой аллостерии, так как увеличивается количество CO ₂ и H ^+.помогают стабилизировать Т-состояние и обеспечивать большую доставку кислорода к мышцам в периоды повышенного клеточного дыхания. Об этом свидетельствует тот факт, что миоглобин , мономер без аллостерии, не проявляет эффекта Бора. ^[2] Мутанты гемоглобина с более слабой аллостерией могут демонстрировать пониженный эффект Бора. Например, при вариантной гемоглобинопатии Хиросимы аллостерия в гемоглобине снижается, и эффект Бора ослабляется. В результате во время физических упражнений мутантный гемоглобин имеет более высокое сродство к кислороду, и ткани могут испытывать незначительное кислородное голодание . ^[11]

Стабилизация Т-состояния [ править ]

Когда гемоглобин находится в своем Т-состоянии, N-концевые аминогруппы α-субъединиц и C-концевой гистидин β-субъединиц протонируются, придавая им положительный заряд и позволяя этим остаткам участвовать в ионных взаимодействиях.с карбоксильными группами на соседних остатках. Эти взаимодействия помогают удерживать гемоглобин в состоянии T. Снижение pH (повышение кислотности) еще больше стабилизирует это состояние, поскольку снижение pH делает эти остатки еще более вероятными для протонирования, усиливая ионные взаимодействия. В R-состоянии ионные пары отсутствуют, а это означает, что стабильность R-состояния увеличивается при увеличении pH, поскольку эти остатки с меньшей вероятностью будут оставаться протонированными в более щелочной среде. Эффект Бора работает путем одновременной дестабилизации состояния R с высоким сродством и стабилизации состояния T с низким сродством, что приводит к общему снижению сродства к кислороду. ^[2] Это можно визуализировать на кривой диссоциации кислород-гемоглобин , сдвинув всю кривую вправо.

Двуокись углерода может также непосредственно реагировать с N-концевыми аминогруппами с образованием карбаматов в соответствии со следующей реакцией:

${\displaystyle {\ce {R-NH2 + CO2 <=> R-NH-COO^- + H+}}}$

CO ₂ чаще образует карбаматы в состоянии T, что помогает стабилизировать эту конформацию. В процессе также создаются протоны, а это означает, что образование карбаматов также способствует усилению ионных взаимодействий, дополнительно стабилизируя Т-состояние. ^[2]

Особые случаи [ править ]

Морские млекопитающие [ править ]

Исключение из хорошо обоснованной связи между размером тела животного и чувствительностью его гемоглобина к изменениям pH было обнаружено в 1961 году. ^[12] На основании их размера и веса было выдвинуто предположение , что у многих морских млекопитающих очень низкий, почти незначительный эффект Бора. ^[9] Однако, когда их кровь была исследована, этого не произошло. У горбатых китов весом 41 000 кг наблюдалось 0,82, что примерно эквивалентно величине эффекта Бора у морской свинки весом 0,57 кг . ^[9]${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$Предполагается, что этот чрезвычайно сильный эффект Бора является одной из многих адаптаций морских млекопитающих для глубоких и длительных погружений, поскольку он позволяет практически всему связанному с гемоглобином кислороду диссоциировать и снабжать тело кита, пока он находится под водой. ^[12] Исследование других видов морских млекопитающих подтверждает это. В экспериментальных китов и морских свинок , которые в первую очередь на поверхности кормушки и редко погружения в течение более нескольких минут, было 0.52, сравнима с коровой , ^[9] , которые гораздо ближе к ожидаемой величине эффекта Бора для животных от их размера. ^[12]${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$

Окись углерода [ править ]

Другой частный случай эффекта Бора возникает, когда присутствует окись углерода . Эта молекула служит конкурентным ингибитором кислорода и связывается с гемоглобином с образованием карбоксигемоглобина . ^[13] Сродство гемоглобина к CO примерно в 210 раз выше, чем его сродство к O ₂ , ^{[14] это} означает, что он очень маловероятно диссоциировать, и однажды связанный, он блокирует связывание O ₂ с этой субъединицей. В то же время CO достаточно структурно похож на O ₂чтобы заставить карбоксигемоглобин благоприятствовать состоянию R, повышая сродство к кислороду оставшихся незанятых субъединиц. Эта комбинация значительно снижает доставку кислорода к тканям тела, что делает окись углерода настолько токсичной . Эта токсичность несколько снижается за счет увеличения силы эффекта Бора в присутствии карбоксигемоглобина. Это увеличение в конечном итоге связано с различиями во взаимодействиях между гемовыми группами в карбоксигемоглобине по сравнению с оксигенированным гемоглобином. Это наиболее выражено, когда концентрация кислорода чрезвычайно низкая, как последнее усилие, когда потребность в доставке кислорода становится критической. Однако физиологические последствия этого явления остаются неясными. ^[13]

См. Также [ править ]

• Аллостерическая регуляция
• Эффект Холдейна
• Корневой эффект

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Влияние обучения