Карбоксигемоглобина, или карбоксигемоглобин, (символ COHb или HbCO ) является стабильным комплекс из окиси углерода и гемоглобина (Hb) , который образуется в красных кровяных клеток при контакте с монооксидом углерода. Карбоксигемоглобин часто ошибочно принимают за соединение, образованное комбинацией диоксида углерода и гемоглобина, которое на самом деле является карбаминогемоглобином . Терминология карбоксигемоглобина возникла, когда окись углерода была известна под своим древним названием окись углерода; предпочтительной номенклатурой IUPAC является карбонилгемоглобин . [2] [3] [4]
Имена | |||
---|---|---|---|
Предпочтительное название IUPAC Карбонилгемоглобин | |||
Другие названия Карбоксигемоглобин | |||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |||
Ссылки на инфобоксы | |||
Средний некурящий поддерживает системный уровень карбоксигемоглобина ниже 3% COHb, тогда как у курильщиков уровень COHb приближается к 10%. [4] Биологический порог толерантности к карбоксигемоглобину составляет 15% COHb, что означает, что токсичность постоянно наблюдается при уровнях, превышающих эту концентрацию. [5] FDA ранее установлен порог 14% COHb в некоторых клинических испытаниях , оценивающих терапевтический потенциал окиси углерода. [6]
Производство эндогенного оксида углерода
В биологии окись углерода вырабатывается естественным образом посредством многих ферментативных и неферментативных путей. [7] Наиболее широко изучен путем является метаболизмом гема от гемоксигеназы , которое происходит по всему телу со значительной активностью в селезенке , чтобы облегчить гемоглобин пробой во эритроцитарной утилизации. Следовательно, гем может нести монооксид углерода в случае карбоксигемоглобина или подвергаться ферментативному катаболизму с образованием монооксида углерода.
Окись углерода была охарактеризована как нейромедиатор в 1993 году и с тех пор была отнесена к подкатегории газотрансмиттера . [4]
Наиболее эндогенно продуцируемый монооксид углерода хранится в виде карбоксигемоглобина. Газ в основном выводится из легких , однако следовые количества могут окисляться до диоксида углерода определенными цитохромами , метаболизироваться резидентной микробиотой или выводиться путем трансдермальной диффузии. [4] [7]
Сродство гемоглобина к окиси углерода
В среднем эритроцит содержит 250 миллионов молекул гемоглобина . [7] Гемоглобин содержит глобина блок белка с четырьмя протезных гемом групп (отсюда и название гем -о- глобина ); каждый гем способен обратимо связываться с одной газовой молекулой (кислород, окись углерода, цианид и т. д.) [8], поэтому типичный эритроцит может нести до одного миллиарда молекул газа. Поскольку связывание моноксида углерода с гемоглобином является обратимым, предполагается, что 20% оксида углерода, переносимого в виде карбоксигемоглобина, могут диссоциировать в удаленных тканях. [7]
По сравнению с кислородом, окись углерода связывается примерно в 240 раз большей аффинностью [9] [4], однако сродство окиси углерода к гемоглобину варьируется как у разных видов, так и внутри видов. В 1950-х годах Эстер Киллик была одной из первых, кто осознал разницу в сродстве к окиси углерода между кровью взрослого и плода , а также разницу между людьми и овцами. [4] У видов Murinae период полураспада COHb составляет 20 минут по сравнению с 300 минутами для типичного человека ( см. Токсикокинетику ниже ). [4] В результате метаболическая кинетика, точка насыщения крови и толерантность к воздействию монооксида углерода варьироваться в зависимости от видов, что может привести к несогласованности данных , относящейся к токсикологии от отравления окиси углерода и фармакологии низких доз терапевтических протоколов. [4]
У людей мутация Hb-Kirklareli имеет относительное сродство к монооксиду углерода в 80 000 раз больше, чем к кислороду, в результате чего системный карбоксигемоглобин достигает устойчивого уровня 16% COHb. [5] Известно, что у некоторых глубоководных морских млекопитающих концентрация окиси углерода в крови примерно такая же, как у хронических курильщиков сигарет. [10] Считается, что эти уровни окиси углерода могут помочь животным в предотвращении травм, связанных с событиями ишемии / реперфузии, связанными с физиологической реакцией на погружение, [11], и аналогично повышенные уровни у курильщиков были предложены в качестве основы для в парадокс курильщика . [4] Продолжительное воздействие окиси углерода и повышенного содержания карбоксигемоглобина, например, при курении, приводит к эритремии . [4] Кроме того, согласно исследованиям Эстер Киллик , люди могут адаптироваться к токсичным уровням окиси углерода . [4]
Структурные вариации и мутации других гемопротеинов аналогичным образом влияют на взаимодействие монооксида углерода с простетической группой гема, как показано на примере цитохрома P450, где на семейство CYP3A относительно меньше влияют ингибирующие эффекты монооксида углерода. [4]
История
Ярко-красный цвет кожи обычно связан с повышенным уровнем карбоксигемоглобина. Следы свидетельств эндогенного присутствия окиси углерода относятся к Марцеллу Донато около 1570 года, который отметил необычно красный цвет лица при проведении вскрытия жертв, умерших от паров древесного угля в Мантуе . [4] Подобные результаты, относящиеся к красному цвету лица, позже были обнаружены Иоганном Якобом Вепфером в 1600-х годах и М. Антуаном Порталом в конце 1700-х годов. [4]
Теория флогистона - это следы происхождения первых химических объяснений эндогенного карбоксигемоглобина, примером которых является работа Джозефа Пристли в восемнадцатом веке, который подозревал, что флогистон является продуктом жизнедеятельности клеток, переносимым кровью животных, которая впоследствии выдыхалась. [4]
Томас Беддо , Джеймс Ватт , Хамфри Дэви , Джеймс Линд и многие другие исследовали терапевтический потенциал вдыхания искусственного воздуха в конце восемнадцатого века (см. Также: Пневматический институт ). Среди газов, с которыми проводились эксперименты, значительное внимание привлек гидрокарбонат . Гидрокарбонат - это водяной газ, образующийся при пропускании водяного пара над коксом , в процессе которого образуется окись углерода и водород, и некоторые считают, что он содержит флогистон . Beddoes и ваттный признали гидрокарбонатный просветлел венозную кровь в 1793 Вт , предложенную угольные газы могли в качестве антидота к кислороду в крови, а также и Beddoes Ватт , также предположили , гидрокарбонатные имеет большее сродство к волокну животного происхождения, чем кислород в 1796. [4]
После открытия угарного газа Уильямом Круикшенком в 1800 году Иоганн Дёмлинг (1803) и Джон Босток (1804) выдвинули гипотезы, согласно которым кровь возвращается в сердце, содержащее угарный газ, который затем окисляется до углекислого газа в легких перед выдохом. [4] Позже, в 1854 году, Адриен Шено аналогичным образом предположил, что окись углерода может удалять кислород из крови и окисляться в организме до двуокиси углерода. [4] Механизм отравления угарным газом в контексте образования карбоксигемоглобина широко приписывают Клоду Бернару, чьи мемуары, начиная с 1846 года и опубликованные в 1857 году, в частности, гласили: «предотвращает превращение артериальной крови в венозную». [4] Феликс Хоппе-Сейлер независимо опубликовал аналогичные выводы в следующем году.
Первый аналитический метод для определения карбоксигемоглобина появился в 1858 году с помощью колориметрического метода, разработанного Феликсом Хоппе-Зейлером , а первый метод количественного анализа появился в 1880 году с Йозефом фон Фодором. [4]
Аналитические методы обнаружения
Исторически обнаружение карбоксигемоглобина достигалось с помощью колориметрического анализа , определения химической активности, спектрофотометрии , газометрических и термоэлектрических методов обнаружения. [4] Газовый хроматографический анализ появился в 1961 году и остается широко используемым методом. [4]
Современные методы включают пульсоксиметрию с помощью CO-оксиметра и множество других аналитических методов. [12] Большинство методов требует лабораторного оборудования, квалифицированных специалистов или дорогостоящей электроники, поэтому технологии быстрого и экономичного обнаружения продолжают развиваться.
Окись углерода в выдыхаемом воздухе - еще один метод обнаружения, который может коррелировать с уровнем карбоксигемоглобина. [13]
Отравление угарным газом
Отравление угарным газом, также известное как карбоксигемоглобинемия, [14] [15] преследовало человечество с тех пор, как первобытные предки впервые использовали огонь. В наше время данные о карбоксигемоглобине помогают врачам в постановке диагноза отравления. Однако уровни карбоксигемоглобина не обязательно коррелируют с симптомами отравления угарным газом. [16] В целом, 30% COHb считается тяжелым отравлением угарным газом. [4] Самый высокий зарегистрированный нефатальный уровень карбоксигемоглобина составил 73% COHb. [4]
Дыхание
Газообмен - важный процесс для многих организмов, поддерживающий гомеостаз. Кислород составляет около 20% атмосферного воздуха Земли . В то время как вдох воздуха имеет решающее значение для снабжения клеток кислорода для аэробного дыхания через эффект Бора и эффект Холдейна (и , возможно , местное низкий парциальное давление кислорода например , активные мышцы), [17] выдох сотовых отходы продукта углекислого газ , вероятно , является более важным аспектом дыхание. В то время как организм может переносить короткие периоды гипоксии (что обычно происходит при анаэробных упражнениях , хотя мозг, сердце, печень и почки значительно менее терпимы, чем скелетные мышцы), неспособность вывести углекислый газ может вызвать респираторный ацидоз (то есть жидкости организма и кровь становятся слишком кислыми, что влияет на гомеостаз). [18] В отсутствие кислорода клетки переключаются на анаэробное дыхание, которое, если продлится, может значительно увеличить количество молочной кислоты, что приведет к метаболическому ацидозу . [19]
Чтобы предоставить упрощенный синопсис молекулярного механизма системного газообмена, при вдыхании воздуха считалось, что связывание кислорода с любым из участков гема запускает конформационные изменения в белковой единице гемоглобина, что затем позволяет связывать дополнительный кислород с каждым из них. других гемовых сайтов. По прибытии в клетку кислород выделяется в ткань из-за «подкисления» местного pH (что означает относительно более высокая концентрация «кислых» протонов / ионов водорода ), вызванного увеличением биотрансформации отходов диоксида углерода в угольную кислоту. через карбоангидразу . Другими словами, насыщенная кислородом артериальная кровь поступает к клеткам в «R-состоянии гемоглобина», который имеет депротонированные / неионизированные аминокислотные остатки (относительно аминов ) на основе менее кислого pH (средний pH артериальной крови 7,407, тогда как венозная кровь немного более кислая. при pH 7,371 [20] ). «Т-состояние» гемоглобина дезоксигенируется в венозной крови частично из-за протонирования / ионизации, вызванной кислой средой, что вызывает конформацию, не подходящую для связывания кислорода (т.е. кислород «выбрасывается» по прибытии в клетку). Кроме того, механизм образования карбаминогемоглобина генерирует дополнительные ионы водорода, которые могут дополнительно стабилизировать протонированный / ионизированный деоксигенированный гемоглобин. При возвращении венозной крови в легкие и последующем выдохе углекислого газа кровь «декисляется» (см. Также: гипервентиляция ) для депротонирования / необразования гемоглобина, чтобы повторно включить связывание кислорода как часть перехода в артериальную кровь. (обратите внимание, что этот процесс сложен из-за участия хеморецепторов и других физиологических функций). Отравление угарным газом нарушает этот физиологический процесс, поэтому венозная кровь отравленных пациентов имеет ярко-красный цвет, похожий на артериальную кровь, поскольку карбонил / окись углерода сохраняется. [4]
При токсичных концентрациях окись углерода в виде карбоксигемоглобина значительно мешает дыханию и газообмену, одновременно подавляя поступление и доставку кислорода в клетки и предотвращая образование карбаминогемоглобина, на который приходится примерно 30% экспорта углекислого газа. [21] Таким образом, пациент, страдающий отравлением угарным газом, может испытывать тяжелую гипоксию и ацидоз в дополнение к токсичности избыточного связывания окиси углерода с многочисленными гемопротеинами, металлическими и неметаллическими целями, которые влияют на клеточный аппарат. [7]
Токсикокинетика
В обычном воздухе при нормальных атмосферных условиях у типичного пациента период полураспада карбоксигемоглобина составляет около 300 минут. [4] Это время может быть сокращено до 90 минут после введения чистого кислорода с высокой скоростью потока, и время еще больше сокращается, когда кислород вводится с 5% углекислым газом, как впервые было указано Эстер Киллик . [4] Кроме того, лечение в барокамере является более эффективным способом сокращения периода полужизни карбоксигемоглобина до 30 минут [4] и позволяет кислороду растворяться в биологических жидкостях для доставки в ткани. [ необходима цитата ]
Дополнительный кислород использует принцип Ле Шателье для ускорения разложения карбоксигемоглобина обратно в гемоглобин: [22]
HbCO + O 2 ⇌ Hb + CO + O 2 ⇌ HbO 2 + CO
Карбоксигемоглобиновые фармацевтические препараты
Поскольку теперь понятно, что оксид углерода имеет терапевтический потенциал, фармацевтические усилия были сосредоточены на разработке молекул, высвобождающих моноксид углерода, и селективных индукторов гемоксигеназы . [23]
Альтернативный метод доставки лекарств состоит из иммобилизации окиси углерода на бычьем карбоксигемоглобине, связанном с полиэтиленгликолем (ПЭГ), который в настоящее время находится на поздней стадии клинической разработки. Аналогичным образом, карбоксигемоглобин человека, конъюгированный с малеимидом и ПЭГ, ранее был предметом фармацевтических разработок. [24]
Рекомендации
- ^ Васкес GB, Ji X, Fronticelli C, Гиллилэнд GL (май 1998). «Карбоксигемоглобин человека с разрешением 2,2 A: сравнение структуры и растворителя гемоглобинов в R-состоянии, R2-состоянии и T-состоянии». Acta Crystallographica. Секция D, Биологическая кристаллография . 54 (Pt 3): 355–66. DOI : 10.1107 / S0907444997012250 . PMID 9761903 .
- ^ «Глоссарий терминов, используемых в токсикологии ИЮПАК - термины, начинающиеся с буквы С» . www.nlm.nih.gov . Проверено 9 мая 2021 .
- ^ PubChem. «Окись углерода» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 9 мая 2021 .
- ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р а Q R сек т у V ш х у г аа аб Hopper CP, Zambrana PN, Goebel U, Wollborn J (апрель 2021 г.). «Краткая история окиси углерода и его терапевтического происхождения». Оксид азота . 111–112: 45–63. DOI : 10.1016 / j.niox.2021.04.001 . PMID 33838343 .
- ^ а б Моттерлини Р., Форести Р. (март 2017 г.). «Биологическая сигнализация с помощью молекул монооксида углерода и выделяющих монооксид углерода» . Американский журнал физиологии. Клеточная физиология . 312 (3): C302 – C313. DOI : 10,1152 / ajpcell.00360.2016 . PMID 28077358 .
- ^ Ян Х, де Цестекер М., Оттербейн Л. Е., Ван Б. (июль 2020 г.). «Окись углерода: новые методы лечения острого повреждения почек». Обзоры медицинских исследований . 40 (4): 1147–1177. DOI : 10.1002 / med.21650 . PMC 7280078. PMID 31820474 .
- ^ а б в г д Хоппер С.П., Де Ла Круз Л.К., Лайлс К.В., Уэрхэм Л.К., Гилберт Дж. А., Эйхенбаум З. и др. (Декабрь 2020 г.). «Роль окиси углерода в коммуникации микробиома хозяина и кишечника». Химические обзоры . 120 (24): 13273–13311. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.0c00586 . PMID 33089988 .
- ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3051-4.
- ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2011). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-1-4292-7635-1.
- ^ Tift, M; Ponganis, P; Крокер, Д. (2014). «Повышенный карбоксигемоглобин у морского млекопитающего, северного морского слона» . Журнал экспериментальной биологии . 217 (10): 1752–1757. DOI : 10,1242 / jeb.100677 . PMC 4020943 . PMID 24829326 .
- ^ Tift, M; Понганис, П. (2019). «Временные рамки адаптации к гипоксии - морские слоны выделяются среди дайверов» . Границы физиологии . 10 : 677. DOI : 10,3389 / fphys.2019.00677 . PMC 6558045 . PMID 31214049 .
- ^ Времан, Х., Вонг. R., et. al. "Источники, Раковины и измерение монооксида углерода" , Окись углерода и сердечно - сосудистой функции ., CRC Press, стр 289-324, 2001-10-30, DOI : 10,1201 / 9781420041019-23 , ISBN 978-0-429-12262-0, получено 2021-05-12
- ^ Уолд, штат Нью-Джерси; Холостой ход, М; Boreham, J; Бейли, А (1981-05-01). «Угарный газ в дыхании в зависимости от курения и уровня карбоксигемоглобина» . Грудная клетка . 36 (5): 366–369. DOI : 10.1136 / thx.36.5.366 . ISSN 0040-6376 . PMC 471511 . PMID 7314006 .
- ^ Лопес-Херс Дж, Боррего Р., Бустинза А., Каррильо А. (сентябрь 2005 г.). «Повышенный карбоксигемоглобин, связанный с лечением нитропруссидом натрия». Реаниматология . 31 (9): 1235–8. DOI : 10.1007 / s00134-005-2718-х . PMID 16041521 . S2CID 10197279 .
- ^ Рот Д., Хубманн Н., Хавел С., Херкнер Х., Шрайбер В., Лаггнер А. (июнь 2011 г.). «Жертва отравления угарным газом, идентифицированная оксиметрией угарного газа». Журнал неотложной медицины . 40 (6): 640–2. DOI : 10.1016 / j.jemermed.2009.05.017 . PMID 19615844 .
- ^ Хэмпсон Н. Б., Хауфф Н. М. (июль 2008 г.). «Уровни карбоксигемоглобина при отравлении угарным газом: коррелируют ли они с клинической картиной?». Американский журнал неотложной медицины . 26 (6): 665–9. DOI : 10.1016 / j.ajem.2007.10.005 . PMID 18606318 .
- ^ Шмидт-Нильсен К. (1997). Физиология животных: адаптация и окружающая среда (пятое изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57098-5.
- ^ «Респираторный ацидоз: Медицинская энциклопедия MedlinePlus» . medlineplus.gov . Проверено 10 мая 2021 .
- ^ «Отравление угарным газом» (PDF) . Центр по борьбе с отравлениями в Юте . 2004 г.
- ^ О'Коннор TM, Барри П.Дж., Джахангир А., Финн С., Бакли Б.М., Эль-Гаммал А (2011). «Сравнение газов артериальной и венозной крови и влияние задержки анализа и загрязнения воздуха на образцы артерий у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких и здоровых людей из контрольной группы» . Дыхание; Международный обзор заболеваний грудной клетки . 81 (1): 18–25. DOI : 10.1159 / 000281879 . PMID 20134147 .
- ^ Артурс Г.Дж., Судхакар М. (декабрь 2005 г.). «Транспорт углекислого газа». Непрерывное образование в области анестезии, интенсивной терапии и боли . 5 (6): 207–210. DOI : 10.1093 / bjaceaccp / mki050 .
- ^ «ChemBytes: неделя с 8 февраля 1998 г.» . www.columbia.edu . Проверено 11 мая 20 .
- ^ Motterlini R, Otterbein LE (сентябрь 2010 г.). «Лечебный потенциал окиси углерода». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 9 (9): 728–43. DOI : 10.1038 / nrd3228 . PMID 20811383 .
- ^ Хоппер С.П., Майнель Л., Штайгер С., Оттербейн Л.Е. (31.05.2018). «Где клинический прорыв в терапии гемоксигеназы-1 / оксида углерода?». Текущий фармацевтический дизайн . 24 (20): 2264–2282. DOI : 10.2174 / 1381612824666180723161811 . PMID 30039755 .
Внешние ссылки
- Карбоксигемоглобин в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)