Кислородом гемоглобина диссоциации кривая , которая также называется кривой диссоциации оксигемоглобина или кислорода кривой диссоциации ( ODC ), представляет собой кривую , что участки доля от гемоглобина в его насыщенном ( кислорода -laden) формы на вертикальной оси по отношению к преобладающему напряжения кислорода на Горизонтальная ось. Эта кривая является важным инструментом для понимания того, как наша кровь переносит и выделяет кислород. В частности, кривая диссоциации оксигемоглобина связывает насыщение кислородом (S O 2 ) и парциальное давление кислорода в крови (P O 2), и определяется так называемым «сродством гемоглобина к кислороду»; то есть насколько легко гемоглобин поглощает и выделяет молекулы кислорода в окружающую его жидкость.
Задний план
Гемоглобин (Hb) - это основной переносчик кислорода в крови . Каждая молекула гемоглобина может нести четыре молекулы кислорода. Эти молекулы кислорода связываются с железом из гема группы протезного . [1]
Когда гемоглобин не имеет связанного кислорода или связанного углекислого газа , он имеет несвязанную конформацию (форму). Связывание первой молекулы кислорода вызывает изменение формы гемоглобина, что увеличивает его способность связываться с тремя другими молекулами кислорода.
В присутствии растворенного углекислого газа изменяется pH крови; это вызывает другое изменение формы гемоглобина, что увеличивает его способность связывать углекислый газ и снижает его способность связывать кислород. С потерей первой молекулы кислорода и связыванием первой молекулы диоксида углерода происходит еще одно изменение формы, которое дополнительно снижает способность связывать кислород и увеличивает способность связывать диоксид углерода. Кислород, связанный с гемоглобином, попадает в плазму крови и всасывается тканями , а углекислый газ в тканях связывается с гемоглобином.
В легких происходит обратный процесс. С потерей первой молекулы углекислого газа форма снова изменяется, и становится легче высвободить три других углекислого газа.
Кислород также переносится растворенным в плазме крови , но в гораздо меньшей степени. Гемоглобин содержится в красных клетках крови . Гемоглобин высвобождает связанный кислород, когда угольная кислота присутствует в тканях. В капиллярах , где вырабатывается углекислый газ , кислород, связанный с гемоглобином, выделяется в плазму крови и всасывается тканями.
То, какая часть этой емкости в любой момент заполнена кислородом, называется насыщением кислородом . Выраженное в процентах насыщение кислородом - это отношение количества кислорода, связанного с гемоглобином, к способности гемоглобина переносить кислород. Переносимость кислорода гемоглобином определяется типом гемоглобина, присутствующего в крови. Количество кислорода, связанного с гемоглобином в любой момент времени, в значительной степени связано с парциальным давлением кислорода, которому подвергается гемоглобин. В легких на границе альвеол и капилляров парциальное давление кислорода обычно высокое, и поэтому кислород легко связывается с гемоглобином, который присутствует. Поскольку кровь циркулирует в других тканях тела, в которых парциальное давление кислорода меньше, гемоглобин высвобождает кислород в ткань, потому что гемоглобин не может поддерживать свою полную способность связывать кислород в присутствии более низких парциальных давлений кислорода.
Сигмовидная форма
Кривая обычно лучше всего описывается сигмовидным графиком с использованием формулы следующего вида:
Молекула гемоглобина может обратимым способом связывать до четырех молекул кислорода.
Форма кривой является результатом взаимодействия связанных молекул кислорода с входящими молекулами. Связывание первой молекулы затруднено. Однако это облегчает связывание второго, третьего и четвертого, это связано с индуцированным конформационным изменением в структуре молекулы гемоглобина, вызванным связыванием молекулы кислорода.
В самом простом виде кривая диссоциации оксигемоглобина описывает соотношение между парциальным давлением кислорода (ось x) и насыщением кислородом (ось y). Сродство гемоглобина к кислороду увеличивается по мере связывания последовательных молекул кислорода. По мере увеличения парциального давления кислорода связывается больше молекул, пока не будет достигнуто максимальное количество, которое может быть связано. По мере приближения к этому пределу происходит очень небольшое дополнительное связывание, и кривая выравнивается по мере насыщения гемоглобина кислородом. Следовательно, кривая имеет сигмоидальную или S-образную форму. При давлениях выше примерно 60 мм рт.ст. стандартная кривая диссоциации является относительно плоской, что означает, что содержание кислорода в крови существенно не изменяется даже при значительном повышении парциального давления кислорода. Чтобы получить больше кислорода в ткани, потребовалось бы переливание крови для увеличения количества гемоглобина (и, следовательно, способность переносить кислород) или дополнительного кислорода, который увеличивал бы растворенный в плазме кислород. Хотя связывание кислорода с гемоглобином продолжается до некоторой степени при давлениях около 50 мм рт. Ст., Поскольку парциальные давления кислорода уменьшаются в этой крутой области кривой, кислород легко выгружается в периферические ткани, поскольку сродство гемоглобина уменьшается. Парциальное давление кислорода в крови, при котором гемоглобин насыщен на 50%, обычно около 26,6 мм рт. Ст. (3,5 кПа) для здорового человека, известно как P 50 . P 50 - это стандартная мера сродства гемоглобина к кислороду. При наличии заболевания или других состояний, которые изменяют сродство гемоглобина к кислороду и, следовательно, сдвигают кривую вправо или влево, P 50 изменяется соответственно. Повышенный P 50 указывает на сдвиг стандартной кривой вправо, что означает, что необходимо большее парциальное давление для поддержания 50% насыщения кислородом. Это указывает на пониженное сродство. И наоборот, более низкий P 50 указывает на сдвиг влево и более высокое сродство.
Участок «плато» кривой диссоциации оксигемоглобина - это диапазон, который существует в легочных капиллярах (минимальное снижение переносимого кислорода до тех пор, пока p (O 2 ) не упадет на 50 мм рт.
«Крутой» участок кривой диссоциации оксигемоглобина - это диапазон, который существует в системных капиллярах (небольшое падение системного капиллярного p (O 2 ) может привести к высвобождению большого количества кислорода для метаболически активных клеток).
Чтобы увидеть относительное сродство каждого последующего кислорода при удалении / добавлении кислорода из / в гемоглобин из кривой, сравните относительное увеличение / уменьшение p (O 2 ), необходимое для соответствующего увеличения / уменьшения s (O 2 ). 69
Факторы, влияющие на стандартную кривую диссоциации
На силу связывания кислорода с гемоглобином влияет несколько факторов. Эти факторы сдвигают или изменяют форму кривой диссоциации оксигемоглобина. Сдвиг вправо указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет пониженное сродство к кислороду. Это затрудняет связывание гемоглобина с кислородом (требуется более высокое парциальное давление кислорода для достижения такого же насыщения кислородом), но облегчает гемоглобину высвобождение связанного с ним кислорода. Эффект этого сдвига кривой вправо увеличивает парциальное давление кислорода в тканях, когда это больше всего необходимо, например, во время физических упражнений или геморрагического шока. Напротив, кривая смещается влево из-за противоположных этим условиям. Этот сдвиг влево указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет повышенное сродство к кислороду, поэтому гемоглобин легче связывает кислород, но более неохотно его разгружает. Сдвиг кривой влево является признаком повышенного сродства гемоглобина к кислороду (например, в легких). Точно так же сдвиг вправо показывает снижение аффинности, которое может появиться при повышении температуры тела, концентрации ионов водорода, 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-BPG) или концентрации углекислого газа.
Факторы контроля | Изменять | Сдвиг кривой |
---|---|---|
Температура | ↑ | → |
↓ | ← | |
2,3-БПГ | ↑ | → |
↓ | ← | |
pCO 2 | ↑ | → |
↓ | ← | |
Кислотность [H + ] | ↑ | → |
↓ | ← |
Примечание:
- Сдвиг влево: более высокое сродство к O 2
- Сдвиг вправо: меньшее сродство к O 2
- гемоглобин плода имеет более высокое сродство к O 2, чем гемоглобин взрослого; в первую очередь из-за значительно пониженного сродства к 2,3-бисфосфоглицерату .
Причины сдвига вправо можно запомнить с помощью мнемоники « КАДЕТ , лицо вправо!» для C O 2 , A CID, 2,3- D PG, [Примечание 1] Е xercise и Т емпера тура. [2] Факторами, сдвигающими кривую диссоциации кислорода вправо, являются те физиологические состояния, при которых тканям требуется больше кислорода. Например, во время упражнений у мышц более высокая скорость метаболизма, и, следовательно, им требуется больше кислорода, они производят больше углекислого газа и молочной кислоты, и их температура повышается.
pH
Уменьшение pH (увеличение концентрации ионов H + ) сдвигает стандартную кривую вправо, а увеличение - влево. Это происходит потому, что при более высокой концентрации ионов H + различные аминокислотные остатки, такие как гистидин 146, существуют преимущественно в протонированной форме, что позволяет им образовывать ионные пары, которые стабилизируют дезоксигемоглобин в состоянии T. [3] Т состояние имеет более низкое сродство к кислороду , чем состояние R, так и с повышенной кислотностью, гемоглобин связывает меньше O 2 для заданного P O2 (и более H + ). Это известно как эффект Бора . [4] Снижение общей связывающей способности гемоглобина по отношению к кислороду (т.е. смещение кривой вниз, а не только вправо) из-за снижения pH называется корневым эффектом . Это наблюдается у костистой рыбы. Сродство связывания гемоглобина с O 2 является наибольшим при относительно высоком pH.
Углекислый газ
Двуокись углерода влияет на кривую двояко. Во-первых, накопление CO 2 вызывает образование карбаминовых соединений посредством химических взаимодействий, которые связываются с гемоглобином, образуя карбаминогемоглобин . CO 2 считается аллостерической регуляцией, поскольку ингибирование происходит не в месте связывания гемоглобина. [5] Во-вторых, он влияет на внутриклеточный pH из-за образования бикарбонат-иона. Образование карбаминогемоглобина стабилизирует Т-состояние гемоглобина за счет образования ионных пар. [3] Только около 5–10% от общего содержания CO 2 в крови транспортируется в виде карбаминовых соединений, тогда как (80–90%) транспортируется в виде ионов бикарбоната, а небольшое количество растворяется в плазме. Образование бикарбонат-иона будет высвобождать протон в плазму, снижая pH (повышенную кислотность), что также сдвигает кривую вправо, как обсуждалось выше; низкий уровень CO 2 в кровотоке приводит к высокому pH и, таким образом, обеспечивает более оптимальные условия связывания гемоглобина и O 2 . Это физиологически благоприятный механизм, так как гемоглобин будет терять больше кислорода, поскольку концентрация углекислого газа резко возрастает, когда тканевое дыхание происходит быстро и требуется кислород. [6] [7]
2,3-БПГ
2,3-Bisphosphoglycerate или 2,3-БПГ (ранее названный 2,3-ДФГ или 2,3-ДФГ - ссылка) является фосфорорганическими формируется в красных кровяных клеток в процессе гликолиза и является сопряженное основание из 2,3-bisphosphoglyceric кислота . Производство 2,3-BPG, вероятно, является важным адаптивным механизмом, потому что производство увеличивается при нескольких состояниях в присутствии пониженной доступности O 2 в периферических тканях , таких как гипоксемия , хроническое заболевание легких, анемия и застойная сердечная недостаточность , среди прочих. . Высокие уровни 2,3-БПГ смещают кривую вправо (как в детстве), в то время как низкие уровни 2,3-БПГ вызывают сдвиг влево, наблюдаемый при таких состояниях, как септический шок и гипофосфатемия . [4] В отсутствие 2,3-BPG сродство гемоглобина к кислороду увеличивается. 2,3-BPG действует как гетероаллостерический эффектор гемоглобина, снижая сродство гемоглобина к кислороду путем связывания преимущественно с дезоксигемоглобином. Повышенная концентрация БПГ в эритроцитах способствует формированию Т (напряженного или напряженного) состояния гемоглобина с низким сродством, и поэтому кривая связывания кислорода смещается вправо.
Температура
Повышение температуры сдвигает ODC вправо. Если температура повышается, сохраняя то же самое, то насыщение кислородом уменьшается, потому что связь между железом в а также денатурируется. Точно так же с повышением температуры также увеличивается парциальное давление кислорода. Таким образом, процент насыщения гемоглобина будет ниже при тех же показателях.или более высокое парциальное давление кислорода. Таким образом, любая точка кривой сместится вправо (из-за повышенного парциального давления кислорода) и вниз (из-за ослаблениясвязь). Отсюда и сдвиг кривой вправо. [8]
Монооксид углерода
Гемоглобин связывается с оксидом углерода в 210 раз легче, чем с кислородом. [4] Из-за более высокого сродства гемоглобина к монооксиду углерода, чем к кислороду, оксид углерода - очень успешный конкурент, который вытесняет кислород даже при крохотных парциальных давлениях. Реакция HbO 2 + CO → HbCO + O 2 практически необратимо вытесняет молекулы кислорода, образуя карбоксигемоглобин ; Связывание монооксида углерода с железным центром гемоглобина намного сильнее, чем у кислорода, и сайт связывания остается заблокированным до конца жизненного цикла затронутого эритроцита. [9] При повышенном уровне окиси углерода человек может страдать от тяжелой тканевой гипоксии при сохранении нормального pO 2, потому что карбоксигемоглобин не переносит кислород в ткани.
Последствия метгемоглобинемии
Метгемоглобинемия - это форма аномального гемоглобина, при которой центр железа был окислен из состояния окисления двухвалентного железа +2 (нормальная форма) до состояния трехвалентного железа +3 . Это вызывает сдвиг влево кривой диссоциации кислородного гемоглобина, поскольку любой остаточный гем с оксигенированным двухвалентным железом (состояние +2) не может разгрузить связанный кислород в ткани (потому что 3+ железо нарушает кооперативность гемоглобина), тем самым увеличивая его сродство с кислородом. . Однако метгемоглобин имеет повышенное сродство к цианиду и поэтому полезен при лечении отравления цианидом . В случае случайного проглатывания введение нитрита (например, амилнитрита ) может использоваться для преднамеренного окисления гемоглобина и повышения уровня метгемоглобина, восстанавливая функционирование цитохромоксидазы . Нитрит также действует как сосудорасширяющее средство , способствуя снабжению клеток кислородом, а добавление соли железа обеспечивает конкурентное связывание свободного цианида в виде биохимически инертного иона гексацианоферрата (III) , [Fe (CN) 6 ] 3– . Альтернативный подход включает введение тиосульфата , тем самым превращая цианид в тиоцианат , SCN - , который выводится через почки. Метгемоглобин также образуется в небольших количествах, когда диссоциация оксигемоглобина приводит к образованию метгемоглобина и супероксида O 2 - вместо обычных продуктов. Супероксид является свободным радикалом и вызывает биохимические повреждения, но нейтрализуется действием фермента супероксиддисмутазы .
Эффекты ITPP
Мио-инозитолтриспирофосфат (ITPP), также известный как OXY111A, представляет собой инозитолфосфат, который вызывает сдвиг вправо в кривой диссоциации кислородного гемоглобина за счет аллостерической модуляции гемоглобина в эритроцитах. Это экспериментальный препарат, предназначенный для уменьшения гипоксии тканей . Эффект длится примерно до тех пор, пока пораженные эритроциты остаются в обращении.
Гемоглобин плода
Гемоглобин плода (HbF) структурно отличается от нормального гемоглобина взрослого человека (HbA), что придает HbF более высокое сродство к кислороду, чем HbA. HbF состоит из двух альфа- и двух гамма-цепей, тогда как HbA состоит из двух альфа- и двух бета-цепей. Кривая диссоциации плода смещена влево относительно кривой для нормального взрослого человека из-за этих структурных различий.
Как правило, артериальное давление кислорода у плода ниже, чем у взрослых. Следовательно, более высокое сродство к связыванию кислорода требуется при более низких уровнях парциального давления у плода, чтобы обеспечить диффузию кислорода через плаценту . В плаценте образуется более высокая концентрация 2,3-BPG , и 2,3-BPG легко связывается с бета-цепями, а не с альфа-цепями. В результате 2,3-BPG более прочно связывается с гемоглобином взрослого человека, заставляя HbA выделять больше кислорода для поглощения плодом, чей HbF не зависит от 2,3-BPG. [10] HbF затем доставляет связанный кислород к тканям с еще более низким парциальным давлением, откуда он может высвобождаться.
Смотрите также
- Автоматический анализатор
- Эффект Бора
Заметки
- ^ 2,3-DPG - это аббревиатура отлицериновой кислоты 2,3- D i P Hospho G , устаревшее название 2,3-BPG.
Рекомендации
- ^ Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (2017). Биохимия - бесплатно для всех (PDF) (1.2-е изд.). NC: Creative Commons.
- ^ «Медицинская мнемоника» . LifeHugger . Проверено 19 декабря 2009 .
- ^ а б Ленингер. Принципы биохимии (6-е изд.). п. 169.
- ^ а б в Жакес, Джон (1979). Респираторная физиология . Макгроу-Хилл. С. 156–175.
- ^ Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (5 августа 2017 г.). Биохимия бесплатно для всех (1.2 изд.). NC-Creative Commons. п. 370.
- ^ Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (5 августа 2017 г.). Биохимия бесплатно для всех (1.2 изд.). NC-Creative Commons. п. 134.
- ^ Донна, Ларсон (2017). Клиническая химия: основы и лабораторные методы . Сент-Луис, Миссури: Эльзевьер. п. 226. ISBN. 978-1-4557-4214-1.
- ^ Шмидт-Нильсен (1997). Физиология животных: адаптация и окружающая среда . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521570980.
- ^ Коц, Джон (август 2012). Химия и химическая реакционная способность (8-е изд.). Cengage Learning. п. 1032. ISBN 978-1133420071. Проверено 1 июля 2015 .
- ^ Иллюстрированный обзор Липпинкотта: биохимия, 4-е издание . Северная Америка: Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс. 2007. С. 24–35. ISBN 978-0-7817-6960-0.
Внешние ссылки
- Носек, Томас М. «Раздел 4 / 4ч5 / с4ч5_18» . Основы физиологии человека . Архивировано из оригинала на 2016-03-24.
- Интерактивная кривая диссоциации оксигемоглобина
- Моделирование параметров CO 2 , pH и температуры на кривой диссоциации кислород-гемоглобин (сдвиг влево или вправо)