БІОХІМІЯ КРОВІ

Біохімія крові. Дихальна функція еритроцитів; регуляція кислотно-основного стану. Патобіохімія крові.

Кров – рідка специфічна тканина, яка є внутрішнім середовищем організму. Вона складається з плазми і клітинних елементів: еритроцитів, лейкоцитів, тромбоцитів. В крові містяться білки, жири, вуглеводи, мінеральні речовини, ферменти, вітаміни і гормони.

 

Таблиця  ОСНОВНІ ХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КРОВІ

 

 

Кров як багатокомпонента система виконує в організмі різноманітні функції: дихальну, захисну, транспорту, регуляторну. Кожна з цих функцій забезпечується відповідними компонентами крові. Так, білок еритроцитів (гемоглобін) переносить кисень від легень до тканин; альбумін, який міститься в плазмі, підтримує онкотичний тиск крові, виконує транспортну функцію - перенесення білірубіну, лікарських препаратів, вітамінів та інших речовин; a - і b- глобуліни крові транспортують до тканин ліпоїдні речовини і вітаміни, а гамма глобулінова фракція – це комплекс антитіл; фібриноген і протромбін беруть у зсіданні крові; білки – церулоплазмін (мідьвмісний білок), і трансфери (залізовмісний білок), відповідно, транспортують мідь і залізо.

Кров – гетерогенна система, яка в 3-4 рази в’язкіша, ніж вода. Це зумовлено розчиненими в ній білками і клітинними елементами з густиною 1,050-1,060. Осмотичний тиск створений всіма розчиненими в ній органічними і мінеральними речовинами, а онкотичний –  білками. Постійне рН крові – 7,36-7,4 підтримується буферними системами крові: бікарбонатною, фосфатною і гемоглобіновою, причому на  останню припадає 3/4 всієї буферної ємності.

При багатьох патологічниї станах, коли порушується функція таких органів як нирки, печінка, підшлункова залоза, серце і ін., настають значні зміни і хімічному складі крові. Дослідження хімічного складу і фізико-хімічних властивостей крові має важливе діагностичне значення. Крім того, кров є однією з доступних для аналізу тканин організму і її можна досліджувати повторно без будь-якої шкоди для обстежуваного.

Кров – найбільш спеціалізована рідка тканина, що циркулює в судинній системі й разом із лімфою та міжклітинним простором складає внутрішнє середовище організму. Кров поєднує біохімічні процеси різних частин тіла в цілісну систему та підтримує постійність її складу.

У дорослої людини об'єм крові становить у середньому 5 л. Більша частина крові бере участь у кровообігу, а менша знаходиться в окремих органах (депо). На сухий залишок крові припадає 16-17 % (850 г). За масою кров в організмі перевершують тільки м'язи і кістки.

Якщо загальмувати згортання крові й відцентрифугувати її, то вона розділиться на два шари: 1) верхній – рідкий, із жовтим відтінком – плазма. На неї припадає 55 % об'єму крові; 2) нижній – клітини крові (45 %). Осіла кров утворює згусток, що скорочується, над яким розміщується прозора рідина. Це сироватка (дефібринована плазма).

Відносна густина цільної крові – 1,050-1,064; плазми – 1,024‑1,030; клітин – 1,080-1,097. Крові притаманна висока в'язкість завдяки високому вмісту білка й еритроцитів. Осмотичний тиск крові, зумовлений сумою всіх розчинних речовин, що знаходяться в одиниці об'єму при температурі 37 °С, складає приблизно 7,6 атм. Він спричинений хлоридом натрію та іншими низькомолекулярними речовинами крові. Вклад білків, переважно альбуміну, в цю величину незначний – 0,03 атм. Він називається колоїдно-осмотичним, або онкотичним, тиском крові. Кров, проходячи через різні тканини й органи, забезпечує їх поживними речовинами, забирає від них відпрацьовані метаболіти, так звані "метаболічні шлаки", які несуть інформацію про стан організму. Тому кров вважають "внутрішнім дзеркалом організму", яке показує стан метаболізму всього організму. Через ці причини в клініці та в наукових цілях аналіз крові широко застосовують для діагностики захворювань і контролю ефективності лікування.

Кров виконує такі функції:

1) транспорт газів – перенесення із легень до тканин кисню, а у зворотному напрямку – вуглекислого газу;

2) транспорт поживних речовин до всіх клітин організму (глюкози, амінокислот, жирних кислот, вітамінів, кетонових тіл, мікроелементів та ін.). Із різних органів кров виносить до нирок кінцеві продукти обміну – сечовину, сечову кислоту, білірубін, креатинін тощо. Звідси вони виділяються з організму;

3) регуляторна або гормоноїдна функція, пов'язана з утворенням у крові місцевих гормонів (гормоноїдів), що переносяться з місця виникнення до місця їх дії, тобто до клітин-мішеней;

4) терморегуляторна функція – обмін теплом між тканинами і кров'ю;

5) осмотична функція – підтримання осмотичного тиску в судинах;

6) захисна функція, зумовлена наявністю в крові антитіл та фагоцитарною функцією лейкоцитів;

7) детоксикаційна – знешкодження токсичних речовин, пов'язане з активним їх розщепленням за допомогою ферментів крові.

БІОХІМІЯ КЛІТИН КРОВІ

У крові розрізняють два види клітин – білі й червоні кров'яні тільця (рис. 2). Перші називаються білокрівцями, або лейкоцитами. Їх вміст в дорослих людей складає 4000-9000 клітин в 1 мкл крові.

Другий вид кров'яних тілець – це червонокрівці, або еритроцити, їх вміст у периферичній крові знаходиться в межах 4,5-5•10¹². Крім того, в крові знаходяться ще так звані кров'яні пластинки, або тромбоцити. Розглянемо біохімічні особливості та призначення кожного з названих видів клітин.

Лейкоцити

Рис. 2 Форменні елементи крові

Лейкоцити (білі кров'яні тільця) захищають організм від мікроорганізмів, вірусів та сторонніх речовин, тобто забезпечують імунний статус організму.

Лейкоцити ділять на дві групи – гранулоцити (зернисті) й агранулоцити (незернисті). До гранулоцитів відносять нейтрофіли, еозинофіли і базофіли, а в групу агранулоцитів входять моноцити і лімфоцити.

http://www.youtube.com/watch?v=8ytkFqAMoa8

http://www.youtube.com/watch?v=ce0Xndms1bc

 

Нейтрофіли

Нейтрофіли складають 60-70 % від усіх лейкоцитів (рис.3). Основне їх призначення – захист організму від мікроорганізмів і вірусів. У нейтрофілах є сегментоване ядро, ендоплазматичний ретикулум (слаборозвинений), який не містить рибосом, мало мітохондрій, добре розвинений апарат Гольджі та сотні різних гранул. Більші за розміром гранули мають пероксидази і гідролази з оптимумом активності в кислому рН. Малим гранулам властиві лужна фосфатаза, лізоцим, лактоферин і білки катіонної природи.

 

Рис. 3 Нейтрофільний гранулоцит

 

Нейтрофіли утворюються із стовбурових клітин – мієлобластів кісткового мозку. Вони переходять у кровообіг, а звідси – в різні тканини. В тканинах нейтрофіли живуть до двох днів, а потім гинуть. Припускають, що із тканин вони переміщуються на поверхню слизових оболонок (зокрема шлунково-кишкового тракту), звідки виводяться з організму.

http://www.youtube.com/watch?v=EpC6G_DGqkI&feature=related

Головним джерелом енергії нейтрофілів є глюкоза, яка або прямо утилізується, або перетворюється в глікоген. Більше енергії виробляється гліколітично (90 %), незначна частина глюкози перетворюється в пентозофосфатному циклі. Під час фагоцитозу відбувається не тільки посилення метаболізму глюкози, але й активація протеолізу, спрямованого на деградацію білкових антигенів. Одночасно спостерігається відновлення фосфатидної кислоти та інозитвмісних фосфогліцеридів, що вказує, очевидно, на причетність цих фосфатидів до функціонування мембран. Фагоцитоз супроводжується посиленням гліколізу та пентозофосфатного циклу. Але особливо зростає інтенсивність поглинання кисню нейтрофілами – так званий спалах дихання. Поглинутий кисень витрачається на утворення активних його форм, що здійснюється з участю ферментів:

1.           НАДФ•Н-оксидаза каталізує утворення супероксидного аніона в реакції:

2. Фермент НАДН-оксидаза відповідає за утворення пероксиду ­водню:

3. Мієлопероксидаза каталізує утворення гіпохлорної кислоти з хлориду та пероксиду водню:

Аніон гіпохлорної кислоти може реагувати з наступною молекулою пероксиду водню й утворювати синглетний кисень:

Утворені активні форми кисню проявляють бактерицидну дію і руйнують мікробні нуклеїнові кислоти, білки та ліпіди. Головна роль у бактерицидній дії лейкоцитів належить, вірогідно, пероксиду водню і гіпохлориту. Утворений гіпохлорит викликає хлорування структур мікробної мембрани, що супроводжується їх руйнуванням. Крім цього, мієло­пер­оксидаза за допомогою гіпохлориту декарбоксилює амінокислоти за рівнянням:

 Руйнівну дію на мікроби мають і альдегіди, що утворюються у вказаній реакції.

Виражену бактерицидну дію проявляє вільний радикал ОН^•, який відноситься до активних форм кисню й утворюється в реакції:

Радикали ОН^• дуже нестабільні й досить активні, тому реагують практично з усіма органічними сполуками. Вони виникають також і в процесі ліпопероксидації під впливом ліпооксигеназ із ненасичених жирних кислот. За цих умов виникають ліпопероксирадикали та їх гідропер­оксиди, які можуть реагувати з О₂^• з утворенням ОН^•:

 О₂^• + RООН  ®ОН^• + RО^- + О₂ (частково ^IО₂)

Хемілюмінісценція, що супроводжує фагоцитоз, пояснюється виникненням О₂^• або ^IО₂. Синглетний кисень також є дуже активною формою кисню і знищує мікроорганізми. Зрозуміло, при надмірній кількості активних форм кисню фагоцитоз може спричинити і пошкодження клітин господаря. Для попередження цього клітини мають систему антиоксидного захисту. Зокрема, в цитоплазмі нейтрофілів виявлена глутатіонпероксидаза, яка знешкоджує пероксид водню за допомогою відновленого глутатіону:

У зворотному напрямку (відновлення глутатіону) реакція відбувається за рахунок відновленого НАДФ•Н і каталізується глутатіонредуктазою:

Надлишок пероксиду водню може усуватись і каталазою, але ця реакція відбувається лише при високих концентраціях Н₂О₂:

Нейтрофіли містять ще ряд пристосувань, що дозволяють їм активно фагоцитувати мікроорганізми. Сюди необхідно віднести і високу концентрацію Н⁺, що утворюються з лактату – кінцевого продукту гліколізу. За декілька хвилин фагоцитозу рН знижується до 4-5, що діє бактерицидно. З іншого боку, таке рН активує лізосомальні гідролази, які розкладають мертві мікробні тіла. У цьому їм допомагає лізоцим (амінополісахаридаза), що розщеплює полісахаридні ланцюги пептидгліканового шару клітинної стінки.

Бактерицидні властивості проявляє і комплекс основних білків, який називається фагоцитином (він діє при низьких значеннях рН), а також залізовмісний комплекс лактоферин.

Сприяють нейтрофілам у функції фагоцитозу і лейкотрієни (похідні арахідонової кислоти) шляхом стимуляції хемотаксису.

Таким чином, у фагоцитозі нейтрофілів беруть участь багато чинників ферментативного і неферментативного характеру і з різним механізмом дії.

Базофіли

Базофіли складають 1-5 % від усіх лейкоцитів крові. Активно утворюються в кістковому мозку при алергії. Базофіли беруть участь в алергічних реакціях, у згортанні крові та внутрішньосудинному ліполізі. Мають апарат синтезу білка, який працює за рахунок енергії дихання. Вони синтезують медіатори алергічних реакцій – гістамін і серотонін, які при алергії викликають місцеве запалення. Гепарин, що утворюється в базофілах, запобігає згортанню крові та активує внутрішньосудинну ліпопротеїнліпазу, яка розщеплює триацилгліцерин.

 

Рис. 4 Базофіл

 

Еозинофіли

На них припадає 3-6 % від усіх лейкоцитів. Еозинофіли, як і нейтрофіли захищають клітини від мікроорганізмів: містять мієлопероксидазу, лізосомальні гідролази.

Про відношення еозинофілів до алергічних реакцій свідчить зростання їх кількості при сенсибілізації організму, наприклад, за бронхіальної астми, гельмінтозів. Вони здатні нагромаджувати і розкладати гістамін, "розчиняти" тромби з участю профібринолізину та брадикінін-кінінази.

 

Моноцити

Утворюються в кістковому мозку. Вони складають 4-8 % від усіх лейкоцитів.

Рис. 5 Моноцит

 

Період перебування моноцитів у крові становить 22 години, а далі спостерігається експоненціальне зниження їх вмісту, вони виходять у тканини і нагромаджуються при запаленні. За функцією їх називають макрофагами. Тканинні макрофаги походять від моноцитів крові. Залежно від місця знаходження їх називають: у печінці – ретикулоендотеліоцитами (купферовськими клітинами), в легенях – альвеолярними макрофагами, в проміжній речовині сполучної тканини – гістіоцитами тощо. Моноцит – клітина, що має ядро та інші субклітинні органели (рис. 5).

На відміну від нейтрофілів, у моноцитах переважає аеробний шлях одержання енергії. Гліколіз і пентозофосфатний шлях перетворення глюкози мають другорядне значення. Моноцити характеризуються широким набором лізосомальних ферментів з оптимумом дії переважно в кислому середовищі. Головною функцією моноцитів і макрофагів є ендоцитоз і фагоцитоз. Вони фагоцитують мікробні клітини, віруси, індиферентні та агресивні частинки (пил, SіО₂) та ін. На відміну від нейтрофілів, знищення поглинутих частинок відбувається не шляхом окиснення. Спочатку здійснюється негідролітичне порушення проникності й транспорту мембран мікроорганізмів, що призводить до швидкого їх знищення. Після цього починають діяти лізосомальні гідролази, які перетворюють поглинуті частинки.

Лімфоцити

Вміст – 20-25 %, утворюються в лімфоїдній тканині або тимусі, відіграють важливу роль у формуванні гуморального і клітинного імунітету.

http://www.youtube.com/watch?v=cD_uAGPBfQQ&feature=related

 

Лімфоцити містять потужний апарат синтезу білків-імуноглобулінів, енергію одержують, здебільшого, за рахунок гліколізу, рідше – аеробним –шляхом (рис. 6). Синтез імуноглобулінів відбувається при кооперативному функціонуванні декількох груп клітин, які утворюються в кістковому мозку. Клітини однієї групи – В-лімфоцити – залишають кістковий мозок і заселяють периферичну лімфоїдну тканину. Інша руппа клітин, покинувши кістковий мозок, потрапляє в тимус. Там вони перетворюються в Т-лімфоцити і через кров переносяться в лімфоїдну тканину.

Рис. 6 Лімфоцити

Тромбоцити (кров'яні пластинки)

 

Вміст – менше 1 %, відіграють головну роль у процесі гемостазу. Утворюються внаслідок розпаду мегакаріоцитів у кістковому мозку. Тривалість їх життя – 7-9 днів. Не дивлячись на те, що тромбоцити не містять ядра, вони здатні виконувати практично всі функції клітини, крім синтезу ДНК (рис. 7). Саме через це їх іноді називають клітинами, що не зовсім правильно. У цитоплазмі тромбоцитів містяться мітохондрії і два типи гранул: 1) щільні, в яких знаходяться АДФ, АТФ, катехоламіни, серотонін; 2) альфа-гранули, вірогідно, лізосомальноі природи. Щільні гранули подібні на ендоплазматичний ретикулум, мають здатність до синтезу білків та часточок, що необхідні для виділення кальцію в середовище. Тромбоцити синтезують білки скоротливої системи: актин, міозин, тропонін, тропоміозин. Їх скоротливі властивості проявляються відразу після активації кров'яних пластинок з участю Са²⁺.

Рис.7 Жовтою стрілкою позначений тромбоцит, білою - еритроцит

У них також утворюються простагландини і тромбоксани, які сприяють агрегації тромбоцитів і звуженню судин. Головним джерелом вуглеводів у тромбоцитах є глікоген. Він зазнає глікогенолізу, а далі – окиснення в мітохондріях із виділенням енергії. Пентозофосфатним шляхом перетворюється приблизно 25 % глюкози.

До основних реакцій тромбоцитів відносяться: адгезія, агрегація і секреція (з гранул). Під час адгезії (злипання) відбувається прикріплення тромбоцитів до колагену або субендотеліальної базальної мембрани, яка містить колагенові волокна. Агрегація тромбоцитів індукується тромбіном, колагеном при наявності Са²⁺ і турбулентним рухом тромбоцитів. Інгібують агрегацію ацетилсаліцилова кислота (аспірин), ц-АМФ та простагландини Е₁ і Р₂.

За умов пошкодження судин або їх ендотелію тромбоцити через декілька секунд змінюють свою форму і закривають пошкоджену поверхню (реакція з колагеном). Наступна агрегація тромбоцитів призводить до утворення тромбоцитарного тромбу, до якого приєднується нерозчинний фібрин і заповнює простір між коагульованими тромбоцитами, остання стадія процесу – контракція (ретракція) згустка кро­ві – здійснюється з участю скоротливих білків (актоміозин), АТФ, фібриногену й іонів кальцію.

 

Рис.8 Схема етапів активації адгезин тромбоцитів у формуванні тромба

PWb – фактор Вілебранда, ФГ- фібриноген, ТХА2 - тромбоксан

Протидіють агрегації тромбоцитів чинники, що виділяються ендотеліальними клітинами судинної стінки: АДФаза, простациклін (простагландин І₂), оксид азоту NO. Простациклін і NO потенціюють антитромбоцитарні ефекти один одного.

Еритроцити

Рис.9 Еритроцит

 

У крові людини міститься 25 трлн. еитроцитів (рис.9). Основну свою функцію – перенесення О₂ і СО₂ – вони виконують завдяки тому, що містять 34 % гемоглобіну (рис. 10), а на суху масу клітин – 95 %.

http://www.youtube.com/watch?v=WXOBJEXxNEo&feature=related

 

Рис. 10 Молекула гемоглобіну

Загальний вміст гемоглобіну у крові дорівнює 130-160 г/л, і якщо б гемоглобін був просто розчинний у плазмі, то розчин був би надто в'язким і його важко було б проштовхнути через судини.

Утворюються еритроцити в червоному кістковому мозку із стовбурових клітин, які послідовно проходять стадії еритробластів, пронормобластів, нормобластів до зрілих еритроцитів – нормоцитів. У процесі еритропоезу клітини-попередники зменшуються в розмірах. Їх ядра у кінці процесу руйнуються і виштовхуються з клітин. До завершення до­зрівання клітини містять багато глобінової мРНК і активно синтезують гемоглобін, а в повністю зрілих еритроцитах рибосоми зникають. Крім того, еритроцити втрачають мітохондрії. Таким чином, в обміні речовин в еритроцитах кисень не використовується. Енергію, необхідну для систем транспорту через мембрани і для підтримки цілісності клітинної мембрани, еритроцити отримують за рахунок анаеробного гліколізу. 90 % глюкози в еритроцитах розпадається в процесі гліколізу і 10 % – пентозофосфатним шляхом. Відомі спадкові дефекти ферментів цих метаболічних шляхів у еритроцитів. При цьому звичайно спостерігаються гемолітична анемія й інші порушення структури і функції еритроцитів.

Швидкість еритропоезу регулюється гормоноїдами – еритропоетинами, що виробляються в нирках, а також у печінці й селезінці, та стимулюють клітинну диференціацію і проліферацію на певних етапах еритропоезу. Кількість еритропоетинів у крові зростає при гіпоксіях різного ­походження. За добу утворюється приблизно 200-250 млрд. еритроцитів (така ж кількість руйнується). Тривалість життя еритроцитів складає 110‑120 днів.

Гемоглобін

 

До складу білка гемоглобіну входять простий білок глобін та простетична група гем. Гем – це хелатний комплекс іона заліза і порфірину – циклічної сполуки, що містить 4 пірольні кільця, з'єднані метиленовими містками (рис. 11)

Рис. 11 Просторове зображення гемоглобіну

Існують різні порфірини, що відрізняються боковими групами пірольних кілець. Гем гемоглобіну, як і міоглобіну, цитохромів-b і Р-450, каталази і пероксидаз – це феропротопорфірин IX (феро – залізо двовалентне). Його ще називають протогемом. Відомі ще геми а, с, що містяться в цитохромах. Іон заліза зв'язаний із 4 атомами азоту пірольних кілець порфірину (2 зв'язки ковалентні та 2 – донорно-акцепторні). Крім цього, іон заліза поєднаний координаційним зв'язком з атомом азоту імідазольного кільця залишку гістидину, що входить до складу поліпептидного ланцюга глобіну. Додаткова стабілізація зв'язку гему з глобіном відбувається за рахунок гідрофобних та іонних взаємодій протопорфірину й амінокислотних радикалів глобіну. До шостого координаційного положення заліза можуть приєднуватись молекули кисню чи інших лігандів (СО, NO, ціанід-іон). Зв'язування кисню – процес зворотний і не супроводжується окисненням Fe²⁺ до Fe³

http://www.youtube.com/watch?v=eor6EK_JP40

Рис.12 Основні типи гемоглобінів дорослої людини

Глобін є олігомерним білком, що містить 4 поліпептидних ланцюги (2 альфа-ланцюги по 141 амінокислотному залишку і 2 бета-ланцюги по 146 амінокислотних залишки). Із кожним ланцюгом зв'язаний один гем. Чотири поліпептидні субодиниці в просторі розміщені у вигляді тетраедра й у щільній упаковці дають глобулярну молекулу, в якій кожна субодиниця має контакт із трьома іншими. Така будова основного гемоглобіну дорослої людини – гемоглобіну А (рис. 12, 13).

Мінорні гемоглобіни еритроцитів дорослої людини – гемоглобін А₂, що має структуру альфа₂ дельта₂, глікозильовані гемоглобіни А_1b і НbА_1с. На мінорні Нb припадає 5-10 %. Для еритроцитів плода характерний НbF (фетальний), який складається з двох альфа-ланцюгів і двох гамма-ланцюгів. В останні тижні вагітності й перші тижні після народження НbF поступово замінюється на НbА. Специфічні властивості НbF зумовлюють підвищену спорідненість його до О₂ і, таким чином, перенесення кисню від матері до плода.

 

Рис. 13 Молекула гемоглобіну

У крові людей відкрито приблизно 300 варіантів гемоглобінів, які утворилися внаслідок мутацій генів. Величезна більшість таких гемоглобінів містить одиничну амінокислотну заміну в альфа- чи бета-ланцюзі. Рідше зустрічаються аномальні гемоглобіни з делеціями чи вставками амінокислот. Багато з варіантів гемоглобінів функціонують нормально і не викликають симптомів захворювання. Але в деяких випадках структурні аномалії так істотно порушують функції гемоглобіну, що спостерігаються клінічні ознаки захворювання. Найбільш поширеним серед аномальних гемоглобінів є гемоглобін S. У людей – носіїв гена НbS – має місце серпоподібно-клітинна анемія, яка за механізмом розвитку відноситься до гемолітичних. НbS відрізняється від НbА заміною однієї амінокислоти: в 6 положенні бета-ланцюга глутамінова кислота замінена валіном. Оскільки ці амінокислоти відрізняються за зарядом і гідрофобністю, заміна проявляється низькою розчинністю НвS у дезоксиформі (розчинність оксигемоглобіну не знижується). Молекули дезоксигемоглобіну S асоціюють з утворенням ниток, волокон і пучків волокон, що зумовлює зміну форми еритроцитів (рис.14). Серпоподібні клітини менш стабільні й швидко зазнають лізису.

Рис. 14 Серпоподібні еритроцити при серповидноклітинній анемії

При зменшенні кількості еритроцитів і зниженні вмісту гемоглобіну виникає анемія. У крові гомозиготних осіб є тільки НbS і в них розвивається важка анемія, смерть настає в ранньому дитячому віці. У гетерозигот, що мають в еритроцитах НbS і НbА, проявляються тільки слабкі ознаки хвороби. Характерно, що в таких індивідумів затримується розвиток в еритроцитах малярійного плазмодія і вони не хворіють на малярію або легко переносять її. Ген НbS поширений у малярійних областях. У деяких аномальних гемо­глобінів збільшується або зменшується спорідненість до кисню, що також може призводити до гематологічних захворювань. Крім розглянутих гемоглобінопатій, зустрічаються спадкові хвороби внаслідок порушення утворення в рівних кількостях альфа- і бета-ланцюгів або повної відсутності синтезу одного виду ланцюгів. Ці хвороби називаються таласеміями. Внаслідок дисбалансу альфа- і бета-ланцюгів надлишкові ланцюги випадають в осад, рівень гемоглобіну і тривалість життя еритроцитів знижуються. Гомозиготна форма альфа-таласемій призводить до смерті ще в період внутрішньоутробного розвитку або незабаром після народження.

 

Синтез гемоглобіну

У клітинах-попередниках еритроцитів (еритробластах і ретикулоцитах) усі компоненти Нb – альфа-ланцюги, бета-ланцюги і гем – синтезуються в збалансованих кількостях. Субстратами для синтезу порфіринового циклу гему є гліцин і сукциніл-КоА. При їх взаємодії утворюється гама‑амінолевулінова кислота (рис. 15)

Рис. 15 Регуляція синтезу гемоглобіну

Активність гама-амінолевулінатсинтази, яка каталізує цю реакцію, гальмується гемом гемоглобіну й іншими гемопротеїнами. Деякі лікарські препарати і стероїдні гормони індукують синтез ферменту в печінці. Дві молекули гама-амінолевулінової кислоти конденсуються під дією гама-амінолевулінатдегідратази з утворенням порфобіліногену, що має пірольне кільце. Активність ферменту також гальмується за принципом зворотного зв'язку гемом і гемопротеїнами. Далі чотири молекули порфобіліногену конденсуються з утворенням лінійної тетрапірольної сполуки, яка переходить у циклічний уропорфіриноген. Останній через копропорфіриноген перетворюється в протопорфірин IX. На останній стадії фермент ферохелатаза включає залізо в порфірин і утворюється гем (рис. 16).

Рис. 16 Утворення гему

 

Синтез поліпептидних ланцюгів глобіну відбувається тільки при наявності гему, який відразу ж зв'язується з білком. Побічними продуктами синтезу гему є порфірини серії 1.

Зустрічаються спадкові порушення синтезу гему – порфірії. Внаслі­док дефектів певних ферментів попередники або побічні продукти синтезу гему (уропорфірини, копропорфірини, протопорфірини) накопичуються в організмі й виводяться із сечею і калом. У хворих відзначається підвищена чутливість шкіри до сонячного опромінення через фотосенсибілізацію порфіринами. Порфірії поділяють на еритропоетичні й печінкові. При алкоголізмі, отруєнні сполуками свинцю, гемолітичній хворобі може спостерігатись неспецифічне підвищене виведення із сечею порфіринів.

Роль гемоглобіну в транспорті кисню

Кров повинна щоденно переносити від легень до тканин приблизно 600 л кисню (27 моль, 850 г). У розчинному стані переноситься незначна кількість кисню, оскільки він малорозчинний у плазмі крові (3 мл О₂/1 л крові). Гемоглобін при повному насиченні киснем зв'язує 1,34 мл О₂ на 1 г, а звідси 1 л цільної крові зв'язує приблизно 200 мл О₂, тобто майже в 70 разів більше, ніж розчиненого.

http://www.youtube.com/watch?v=eor6EK_JP40

Молекула гемоглобіну, що має 4 геми, зв'язує 4 молекули кисню. Схематично це можна зобразити таким чином:

Унікальною особливістю зв'язування гемоглобіном кисню є позитивна кооперативна взаємодія між субодиницями, яка проявляється в збільшенні спорідненості Нb із кожною наступною молекулою О₂, тобто після приєднання першої молекули О₂ кожна наступна молекула приєднується швидше. Коли О₂ зв'язується з атомом заліза гему першої субодиниці, її третинна структура змінюється. Ця зміна індукує структурні зміни інших субодиниць, в яких відразу різко підвищується спорідненість із О₂.

На рис. 17 показані криві насичення киснем Нb і білка м'язів міоглобіну, який також зв'язує О₂, але тільки одну молекулу, оскільки містить один гем і один поліпептидний ланцюг.

http://www.youtube.com/watch?v=eor6EK_JP40

 

Рис. 17 Залежність насичення киснем міоглобіну (А)та гемоглобіну (Б) від парціального тиску крові

Залежність між ступенем насичення мономерного міоглобіну киснем і парціальним тиском (pО₂) виражається кривою, що має вигляд простої гіперболи. Це свідчить про відсутність кооперативного характеру зв'язування (збільшення спорідненості О₂ з іншими мономерами міоглобіну). Міоглобін має набагато більшу спорідненість із киснем, ніж гемоглобін, що дає йому можливість приєднувати О₂, який доставляється в м'язи гемоглобіном (рис.18). Таким чином, міоглобін пристосований до ефективного зв'язування, запасання киснем і забезпечення ним процесу тканинного дихання в м'язовій тканині.

 

Рис. 18 Структура міоглобіну

 

Крива насичення киснем гемоглобіну має S-подібну (сигмоїдну) форму. При низькому pО₂ (до 10 мм рт.ст.) Нb має дуже малу спорідненість із О₂, а після зв'язування першої молекули О₂ крива насичення йде різко вгору. При 60 мм рт. ст. рівень насичення гемоглобіну киснем досягає 90 %, після чого знову повільно підні­мається до повного насичення. Завдяки таким властивостям гемоглобін добре пристосований до зв'язування кисню в легенях і його звільнення в периферичних тканинах. Рушійною силою перенесення О₂ служить різниця парціального тиску його в повітрі, рідинах і тканинах орга­нізму. pО₂ в альвеолярному повітрі дорівнює 100 мм рт. ст., а у венозній крові – 40 мм рт. ст. Завдяки градієнту в 60 мм рт. ст. кисень швидко дифундує через альвеолярну мембрану і в результаті pО₂ артеріальної крові складає близько 95 мм рт. ст. При такому pО₂ Нb насичується киснем приблизно на 96 %. Якщо ж pО₂ альвеолярного повітря буде меншим – до 80-70 мм рт. ст. (наприклад, на висоті), вміст оксигемоглобіну знизиться всього на 1-3 %.

У міжклітинній рідині тканин організму pО₂ складає 35 мм рт.ст. і менше. Під час протікання крові через капіляри оксигемоглобін дисоціює, причому ступінь дисоціації залежить від інтенсивності окиснювальних процесів у тканинах. Кисень дифундує з еритроцитів через плазму в міжклітинну рідину, а потім у клітини тканин, де в мітохондріях перетворюється у воду. У венозній крові в стані спокою pО₂ дорівнює 40 мм рт.ст., а венозний гемоглобін насичений киснем приблизно на 64 %. Таким чином, приблизно одна третина зв'язаного кисню звільняється в тканинах (6,5 мл О₂ із 100 мл крові). При фізичній роботі pО₂ у м'язах знижується до 25-10 мм рт.ст. і гемоглобін віддає більше кисню. Крім того, через працюючий м'яз збільшується кровообіг.

На зв'язування гемоглобіном О₂ впливають, крім pО₂, температура, рН, концентрація СО₂ і 2,3-дифосфогліцерату (ДФГ) (рис. 19 ).

Рис. 19 Криві зв'язування кисню гемоглобіном

 

Підвищення концентрації Н⁺ і СО₂ знижує спорідненість гемоглобіну з О₂ і навпаки, сприяє звільненню кисню з оксигемоглобіну. Це явище називається ефектом К. Бора. Так само діє підвищення температури і концентрації в еритроцитах ДФГ. Крива насичення гемоглобіну киснем під дією цих факторів зміщується вправо (рис. 17.4). ДФГ – проміжний продукт гліколізу – знаходиться в еритроцитах і, зв'язуючись з оксигемоглобіном, сприяє дисоціації кисню. Концентрація ДФГ зростає при підйомах на велику висоту (3-4 км над рівнем моря), а також при гіпоксіях, зумовлених патологічними процесами. Збільшення ступеня дисоціації оксигемоглобіну в тканинах буде компенсувати зниження кількості кисню, який зв'язуватиметься гемоглобіном у легенях в умовах гіпоксії.

Транспорт СО₂ (діоксиду вуглецю)

СО₂ утворюється в тканинах (основне джерело – реакції окиснювального декарбоксилювання альфа-кетокислот у матриксі мітохондрій). За добу у фізіологічних умовах легенями виводиться 300-600 л СО₂ (в середньому 480 л або 22 моля). pCО₂₂ у міжклітинній рідині складає приблизно 50 мм рт. ст., а в артеріальній крові – 40 мм рт. ст. І хоч різ­ниця pCО₂ значно менша від аналогічної для О₂, але коефіцієнт дифузії СО₂ у 30 разів більший і він швидко дифундує з тканин через міжклітинну рідину, стінки капілярів у кров. Вміст СО₂ у венозній крові становить 55-60 об. %, а в артеріальній – 50 об. %. Таким чином, із тканин до легень переноситься 5-10 мл СО₂ на кожні 100 мл крові. У формі розчиненого в плазмі газу транспортується приблизно 6 %. Основ­на кількість СО₂ переноситься у вигляді гідрокарбонатів, які утворюються внаслідок гідратації СО₂ і дисоціації вугільної кислоти.

Гідратація СО₂ – процес дуже повільний, і тільки в еритроцитах є фер­мент карбоангідраза, який каталізує цю реакцію. Протони, які звільнюються при дисоціації вугільної кислоти, зв'язуються специфічними амінокислотними залишками гемоглобіну. Це сприяє звільненню кисню з оксигемоглобіну (ефект Бора) в капілярах тканин. Таким чином, дисоціація оксигемоглобіну в тканинах зумовлюється низьким pО₂ в тканинах, зв'язуванням іонів Н⁺, а також прямим приєднанням СО₂ до гемоглобіну.

Уся кількість СО₂, що утворюється в тканинах за добу, еквівалентна 13000 ммоль Н⁺/2 л конц. НСl. Величезна кількість іонів Н⁺ могла би миттєво знизити рН крові й міжклітинної рідини до 1,0, якщо б вони не зв'язувались із гемоглобіном. Дезоксигемоглобін, на відміну від оксигемоглобіну, є слабкою кислотою.

Аніони НСО₃^- виходять за градієнтом концентрації з еритроцитів у плазму, а замість них для збереження електронейтральності в еритроцити надходять іони Сl^-.

Коли венозна кров потрапляє в капіляри легень, О₂ дифундує в ери­троцити, утворюється оксигемоглобін, що як сильна кислота дисоціює, звільнюючи іони водню. Гідрокарбонати плазми також надходять у еритроцити, взаємодіють із протонами, з вугільної кислоти під дією карбоангідрази звільняється СО₂, який дифундує в альвеолярне повітря. Переходу СО₂ з еритроцитів в альвеолярний простір сприяють градієнт парціального тиску СО₂ і висока дифузійна здатність. Схематично процеси, що відбуваються в капілярах тканин і капілярах легень, зображені на рис. 20

Рис. 20 Схема перенесення кисню і діоксиду вуглецю з участю гемоглобіну еритроцитів

Як згадувалось вище, гемоглобін безпосередньо зв'язує СО₂, N‑кінцевою альфа-аміногрупою кожного із 4-х поліпептидних ланцюгів з утворенням карбгемоглобіну (карбаміногемоглобіну):

Реакція зворотна і в капілярах тканин внаслідок високого pО₂ відбувається зліва направо, а в легенях – у зворотному напрямку. У вигляді карбгемоглобіну переноситься незначна кількість СО₂, яка зменшує спорідненість його з О₂ і навпаки, зв'язування в легенях гемоглобіном кисню зменшує спорідненість його із СО₂.

Таким чином, гемоглобін може зв'язувати по 4 молекули О₂ чи СО₂, приблизно 4 іони Н⁺ й 1 молекулу ДФГ. Зміна концентрації будь-якого з цих 4 лігандів гемоглобіну через зміну кон­формації молекули білка регулює його спорідненість з іншими лігандами. Завдяки цьому молекула гемоглобіну прекрасно пристосована до здійснення одночасного переносу еритроцитами О₂, СО₂ й іонів Н⁺.

Карбоксигемоглобін, метгемоглобін

Замість кисню до гемоглобіну може приєднуватись оксид вуглецю (II) з утворенням карбоксигемоглобіну (НвСО). Спорідненість гемоглобіну людини із СО більше ніж у 200 раз перевищує спорідненість із О₂. Токсичну дію на організм проявляють навіть невеликі концентрації в повітрі оксиду вуглецю, коли частина гемових груп гемоглобіну зв'язана із СО, а частина – з О₂. Такі молекули гемоглобіну утримують кисень міцніше, ніж гемоглобін, з яким зв'язані 4 молекули кисню. Таким чином, при отруєнні СО гіпоксія зумовлена не тільки блокуванням частини гемів гемо­глобіну, а й порушенням процесу дезоксигенації гемів, з якими зв'язані молекули О₂.

Fе²⁺ гемоглобіну окиснюється до Fе³⁺ під дією таких агентів (окисників), як амілнітрит, анілін, нітробензол, нітрати і нітрити, тіосульфати, фериціанід. Форма гемоглобіну з Fе³⁺ називається метгемоглобіном (МеtНb). Він не приєднує ні О₂, ні СО і, таким чином, не може забезпечувати транспорт кисню.

Окисно-відновний потенціал пари Fе²⁺/Нb–Fе³⁺/MetHb при рН 7 дорівнює +0,17 В, що вказує на можливість автоокиснення гемоглобіну до метгемоглобіну в середовищі з високою концентрацією кисню, яким є еритроцит. Дійсно, щоденно в організмі людини 0,5 % усього гемоглобіну перетворюється в метгемоглобін. Але в еритроцитах міститься фермент метгемоглобінредуктаза, який каталізує відновлення метгемоглобіну до гемоглобіну, тому фактично концентрація метгемоглобіну в крові в нормі невелика. Активність метгемоглобінредуктази знижена при спадковому захворюванні – сімейній метгемоглобінемії, головною ознакою якої є ціаноз, виражений різною мірою, що пов'язано з різною концентрацією метгемоглобіну (від 25 до 45 %). Метгемоглобінемію спостерігають також у клініці після прийому хворими сульфаніламідів, фенацетину, саліцилатів. Окиснення гемоглобіну до метгемоглобіну киснем зумовлює утворення супероксидного аніон-радикала (О₂^•):

Супероксидний радикал, який проявляє токсичну активність, під дією супероксиддисмутази перетворюється в Н₂О₂. Останній розпадається під впливом каталази і пероксидаз еритроцитів.

Fе ³⁺ у метгемоглобіні може взаємодіяти з різними аніонами (ОН^‑, Сl^‑, СN^-, S^2- й ін.). Токсична дія ціанідів зумовлена взаємодією їх із Fе³⁺ цитохромоксидази і гальмуванням у результаті тканинного дихання.

Оскільки в організмі міститься значно більше гемоглобіну, ніж цитохромоксидази, як протиотруту при отруєнні синильною кислотою і її солями використовують амілнітрит, нітрит натрію, тіосульфат натрію, які зумовлюють утворення метгемоглобіну, а потім – ціанметгемоглобіну. Ця сполука не токсична і може повільно зазнавати подальших перетворень.

Буферні системи крові

Стала концентрація іонів водню є необхідною умовою життя орга­нізму. Кров має слабколужну реакцію. рН артеріальної крові дорівнює 7,4, рН венозної крові – 7,35, а рН в еритроцитах дещо нижча – приблизно 7,2. При зміні рН порушується дія ферментів і настають інші розлади, що можуть призвести до важких ускладнень і смерті. Вважають, що фізіологічні коливання рН відбуваються в межах 0,05-0,07. Стабільність рН крові підтримується буферними системами (гемоглобіновою, гідрокарбонатною, фосфатною) і білками плазми. Найсильнішою є гемоглобінова система, частка якої складає 75 % усієї буферної ємності крові.

Гемоглобінова буферна система складається з оксигемоглобіну (кислої й основної форми) і дезоксигемоглобіну (кислої й основної форми). Гемоглобін, як і інші білки, містить залишки амінокислот, які можуть зв'язувати та звільняти іони Н⁺ (зокрема залишки гістидину). Константа дисоціації іоногенних груп гемоглобіну змінюється залежно від його насичення киснем. рКа для ННbО₂ складає 6,62, а для ННb – 8,18. Таким чином, оксигемоглобін є сильною кислотою, а дезоксигемоглобін – дуже слабкою, слабкішою за вугільну. При рН, що дорівнює значенню рН крові, оксигемоглобін знаходиться у формі основи НbО₂^-, а дезоксигемоглобін – у кислій формі ННb:

Буферна дія гемоглобіну поєднана з транспортом О₂ і СО₂. Як роз­глянуто вище, в капілярах тканин підвищена концентрація іонів Н⁺, ви­кликана дифузією і гідратацією СО₂, нейтралізується завдяки утворенню кислої форми дезоксигемоглобіну:

 

Процес може бути і не пов'язаний із звільненням кисню, але він здійснюється швидше і більш ефективно компенсує зміну рН, якщо одночасно відбувається дезоксигенація.

У капілярах легень оксигемоглобін як сильна кислота витісняє з гідрокарбонатів вугільну кислоту, яка швидко розпадається на СО₂ і Н₂О. Таким чином, гемоглобін попереджує підлужування крові після звільнення з неї вуглекислоти:

Гідрокарбонатна буферна система (НСО₃^-/Н₂СО₃) ефективно функціонує при рН біля 7,4. Вугільна кислота виконує функцію донора протона, а гідрокарбонат-іон НСО₃^- – акцептора протона. Концентрація недисоційованих молекул Н₂СО₃ в крові незначна і залежить від концентрації розчиненого СО₂, а остання – від парціального тиску СО₂ в альвеолярній газовій суміші.

При рН крові, рівному 7,4, відношення концентрації НСО₃^-/Н₂СО₃ дорівнює 20:1. При надходженні в кров кислих продуктів іони Н⁺ взаємодіють із гідрокарбонатами, утворюється надлишок вугільної кислоти, яка розпадається. СО₂ переходить у газову фазу в легенях і видихається з організму. Це зумовлює повернення НСО₃^-/Н₂СО₃ до норми (20:1), а отже і до відновлення рН 7,4. І навпаки, коли в плазму крові потрапляє якась кількість лужних речовин і рН підвищується, іони ОН^- взаємодіють із вугільною кислотою, яка переходить у гідрокарбонат-іон НСО₃^-. Це викликає розчинення в плазмі крові додаткової кількості СО₂, що міститься в газовому просторі легень. Концентрація Н₂СО₃ у плазмі зростає до нормального співвідношення. Гідрокарбонатна буферна система функціонує спільно з гемоглобіновою. Між обома системами встановлюється рівновага і вони спільно забезпечують підтримання сталості рН крові.

Фосфатна буферна система складається з іонів Н₂РО₄^- і НРО₄^2-. Спряжена кислотно-основна пара Н₂РО₄^-–НРО₄^2- має рК 6,86, тому ця система служить буфером у межах рН 6,1-7,7. Значення її для крові незначне, оскільки вміст фосфатів у крові малий. Важливу роль фосфатна буферна система відіграє в підтримці сталості рН внутрішньоклітинної рідини, що знаходиться в межах 6,9-7,4.

Білки плазми проявляють буферну дію завдяки наявності іоногенних залишків амінокислот. Вклад їх у буферну ємність крові незначний.

Буферні системи складають першу лінію захисту від зміни рН. Додаткові можливості забезпечують діяльність легень і нирок, які усувають з організму СО₂, кислі й лужні продукти. Так, при зниженні рН дихання стимулюється, що призводить до виведення з організму надлишку СО₂ і навпаки, при підвищенні рН частота дихання знижується для зменшення виділення СО₂ легенями. Частота і глибина дихання регулюються дихальним центром, який чутливий до рН і рСО₂ позаклітинної рідини. Нирки при зниженні рН крові виділяють із сечею NаН₂РО₄, солі амонію (NН₄⁺), слабкі кислоти в недисоційованій формі. При підвищенні рН крові нирки збільшують виведення Nа₂НРО₄, NаНСО₃. Якщо буферні системи та механізми дихальної і ниркової регуляції рН не компенсують відхилень за межі фізіологічної норми, настають порушення кислотно-основної рівноваги – ацидоз чи алкалоз. Залежно від механізмів розвитку порушень розрізняють дихальний чи метаболічний алкалоз або ацидоз. При гіпервентиляції легень знижується концентрація Н₂СО₃ в організмі (гіпокапнія), підвищується рН крові, стан називається дихальним алкалозом. Для компенсації нирки виділяють лужну сечу. Гіповентиляція легень (наприклад, при запаленні, набряку легень, бронхіальній астмі) зумовлює збільшення вмісту СО₂ в крові (гіперкапнія), зниження рН, підвищене виведення із сечею кислих продуктів. Стан називається дихальним ацидозом.

Метаболічний ацидоз виникає при значному збільшенні вмісту в крові кетонових тіл (цукровий діабет, голодування), молочної кислоти (гіпоксія м'язів), втраті секретів підшлункової залози і кишечника при діареї. У крові знижується концентрація НСО₃^- і Н₂СО₃, зростає виведення із сечею кислих продуктів і солей амонію. Метаболічний алкалоз настає внаслідок великої втрати іонів водню при тривалому блюванні чи підвищеній затримці в організмі гідрокарбонатів під впливом мінералокортикоїдів.

У клінічній практиці визначають показники кислотно-лужної рівноваги: рН крові й сечі, концентрацію в плазмі іона гідрокарбонату, парціальний тиск СО₂ в крові, надлишок буферних основ цільної крові чи плазми (лужний резерв). Останній показник з'ясовує, скільки ммоль основ можна додати до даної проби крові чи забрати від неї, щоб її рН при рСО₂, рівному 40 мм рт. ст. і температурі 37 °С досягло значення 7,4.

ПЛАЗМА КРОВІ

Плазма крові містить 90-91 % води і 9-10 % сухого залишку, а саме 7‑8 % білка, приблизно 1 % різноманітних небілкових органічних речовин і 0,9% – неорганічних солей. У табл. 17.1, 17.2  наведені концентрації основних органічних і неорганічних компонентів плазми крові. У фізіологічних умовах вміст їх коливається в певних межах, які називаються "нормальними", чи "фізіологічними". Відносно постійний рівень основних компонентів крові підтримується за допомогою регуляторних систем (ЦНС, гормональна система). За багатьох патологічних процесів відзначаються більші чи менші зрушення в хімічному складі крові.

Білки плазми крові

Загальна кількість білків, що виявлені в плазмі крові, зараз становить понад 200. Для розділення їх використовують різні фізико-хімічні методи. Методом електрофорезу в простих його варіантах білки плазми поділяються на п'ять фракцій: альбумін, альфа₁-глобуліни, альфа₂-глобуліни, бета-глобуліни і гама-глобуліни. При імуноелектрофорезі білки розділяються не тільки за електрофоретичною рухливістю, але і за імунними властивостями (рис.22). Цим методом можна отримати понад 30 білкових фракцій (табл. 5, 6, 7).

Таблиця 5 Високомолекулярні компоненти плазми крові

Білкові фракції. Які отримують за допомогою електрофорезу (кількісно)

 

Таблиця 6. Білкові фракції, які отримують за допомогоюімуноелектрофорезу на агаровому гелі (кількість визначають імунохімічно)

 

Рис.  Електрофорез білків плазми крові

 

Електрофоретичний аналіз дозволяє встановити ряд спадкових змін деяких індивідуальних білків плазми. Часто ці зміни зумовлюють розвиток захворювань.

 

Альбумін

Більша частина білків плазми припадає на альбумін (55-60 %). Він має порівняно невисоку молекулярну масу (за даними різних авторів, молекулярна маса альбумінів знаходиться в межах від 55 т. до 70 т. Da) і менші розміри молекул (13×3 нм), ніж глобуліни і фібриноген. Синтезується альбумін плазми крові в печінці (10-15 г за добу). Його основні функції:

1) підтримання осмотичного тиску крові, а отже, участь у регуляції розподілу води між кров'ю і міжклітинним простором;

2) транспортна;

3) детоксикуюча.

Осмотичний тиск крові підтримується на стабільному рівні (приблизно 7,7-8,1 атм. Або виражений як осмолярність – 285±10 ммоль/л). Його величина визначається, головним чином, концентрацією електролітів, а також глюкози, сечовини, амінокислот і білків. Частина осмотичного тиску крові, що забезпечується білками, називається колоїдно-осмотичним, або онкотичним. Вона складає тільки 0,03-0,04 атм., тобто приблизно 0,5 % загального осмотичного тиску, що зумовлено дуже малою кількістю в плазмі макромолекул білка порівняно з числом іонів електролітів. Але, незважаючи на малу величину, онкотичний тиск має вирішальне значення в регуляції розподілу води між плазмою і міжклітинною рідиною. Основну роль серед білків плазми в підтриманні онкотичного тиску відіграє асса альбумін. Його вклад в онкотичний тиск плазми складає 75-80 %. Це зумовлено рядом факторів. По-перше, концентрація альбуміну в плазмі більша, ніж інших білків. По-друге, серед основних білків плазми він має найменшу молекулярну асса, а чим більша молекулярна асса білка, тим менший осмотичний тиск білкового розчину. По-третє, альбумін містить велику кількість залишків дикарбонових амінокислот, які дисоціюють при рН крові й зумовлюють значний негативний заряд молекули (рівний 18). Оскільки молекули білків не проникають через ендотелій капілярів, іони електролітів розподіляються по обидва боки мембрани таким чином, що негативний заряд альбуміну компенсується більшою концентрацією катіонів і меншою концентрацією аніонів у плазмі порівняно з концентрацією їх у міжклітинній рідині (наслідок ефекту рівноваги Гібса-Донана).

На поверхні молекул альбуміну зв'язується велика кількість гідратованих іонів Nа⁺. Таким чином, ефективний онкотичний тиск білків плазми, основним чином альбуміну, забезпечує утримання води плазмою. Недостатність альбуміну проявляється втратою здатності зв'язувати воду, яка переходить із крові в міжклітинну рідину. Так, при зниженні вмісту альбуміну в плазмі внаслідок зменшення синтезу його в печінці (при білковому голодуванні, ураженнях ШКТ, захворюваннях печінки) чи виділенні із сечею, що спостерігається при захворюваннях нирок, зменшується осмотичний тиск крові, рідина виходить із судин у міжклітинний простір, розвиваються набряки. Зустрічається спадкова анальбумінемія, яка характеризується зниженим вмістом чи повною відсутністю альбуміну в плазмі й розвитком набряків.

Збільшення проникності ендотелію капілярів для білків плазми при ряді патологічних процесів (травми, опіки) призводить до переходу в міжклітинний простір великих об’ємів рідини, що містить альбумін. Якщо збільшення проникності капілярів настає швидко, то об’єм крові різко зменшується, падає кров’яний тиск, порушується мікроциркуляція, знижується постачання крові, розвивається тканинна гіпоксія. Такий стан називається шоком.

Друга важлива функція альбуміну – транспортна – зумовлена здатністю білка зв'язувати ряд речовин, погано розчинних у воді. Альбумін бере участь у перенесенні вільних жирних кислот із жирової тканини, білірубіну, стероїдних гормонів, іонів металів, а також багатьох лікарських речовин. Зв'язуються ці ліганди різними ділянками молекули альбуміну. Він зумовлює також детоксикуючу функцію крові.

Рис. 23 Розчин альбуміну для в/в введення

 

Глобуліни

Електрофоретичними методами отримують фракції альфа₁-, альфа₂-, бета- і гама‑глобулінів. Кожна з фракцій включає велику кількість індивідуальних білків. 75-90 % альфа-глобулінів і 50% бета-глобулінів синтезуються гепатоцитами. Глобуліни альфа- і бета- є транспортними білками: ретинолзв'язаний білок переносить вітамін А, тироксинзв'язаний білок – тироксин, транскортин – переносник гормонів кортизолу і кортикостерону, церулоплазмін – іонів міді, трансферин – іонів заліза. Інгібіторами протеолітичних ферментів є альфа₁-антитрипсин, альфа₂-макроглобулін, інтер-альфа-трипсиновий інгібітор. Глобуліни гаптоглобіни і гемопексин попереджують втрату гемового заліза із сечею. Зокрема, гаптоглобіни (фракція альфа₂-глобулінів) зв'язуються з розчиненим у плазмі гемоглобіном і комплекси їх захоплюються ретикулоендотеліальними клітинами, де розщеплюються. Аналогічно комплекс гемопексину (фракція бета-глобулінів) і гему захоплюється печінкою. Звільнене залізо використовується повторно. ЛПВГ або альфа - ЛП переміщуються під час електрофорезу разом із альфа-глобулінами; ЛПНГ або бета-ЛП – разом із бета-глобулінами; ЛПДНГ або пре – бета - ЛП – між альфа- і бета- ліпопротеїнами; хіломікрони не переміщуються в електричному полі й залишаються на місці старту.

Фракція гама-глобулінів містить, головним чином, антитіла (імуноглобуліни). Синтезуються імуноглобуліни В-лімфоцитами. Кількість індивідуальних імуноглобулінів, що відрізняються за первинною структурою, надзвичайно велика. Так, в організмі однієї людини може синтезуватись до 10⁷ різних антитіл. До фракції імуноглобулінів відносяться і патологічні білки, які синтезуються при мієломній хворобі специфічними клітинами антитілоутворюючої системи і з'являються у великій кількості в плазмі хворих. Ці мієломні глобуліни є фрагментами імуноглобулінів і можуть фільтруватись у нирках та виділятись із сечею. Їх ще називають білком Бенс-Джонса. Його характерною властивістю є випадання в осад у кислому середовищі при 50-60 °С і повторне розчинення при вищій температурі.

У плазмі крові наявні різні ферменти, зокрема протеолітичні. За походженням вони бувають печінкові, шлунково-кишкові та тканинні. Протеїнази в плазмі крові відіграють роль факторів згортання крові, фібринолізу, кінінової системи, комплементу, ренін-ангіотензинової системи.

За патологічних станів у кров надходять протеази з тканин, так звані тканинні катепсини.

Протеїнази й антипротеїнази плазми крові

У плазмі крові відкрито приблизно 200 різних білків. Серед них особлива роль належить протеїназам і антипротеїназам. Як відомо, протеїнази викликають гідроліз пептидних зв'язків у молекулах білків і пептидів. За походженням вони бувають шлунково-кишкові, власне кров'яні та тканинні. Останні називаються ще катепсинами. До шлунково-кишкових відносяться: пепсин, гастриксин, трипсин, хімотрипсин, еластаза, ентеропептидаза, карбоксипептидази, амінопептидази, дипептидази. Усі вони беруть участь у травленні харчових білків. Певна їх кількість шляхом піноцитозу надходить у кров і там проявляє свою дію.

Внутрішньоклітинні протеїнази (катепсини), що локалізуються переважно в лізосомах, здійснюють внутрішньоклітинний розпад тканинних білків. Завдяки цьому вони виконують важливу регуляторну функцію: утворюють та інактивують ферменти, гормони, біологічно активні білки і пептиди. Оптимум дії катепсинів знаходиться в кислому середовищі (рН 5-6 і нижче). Ряд фізіологічних і патологічних станів супроводжується руйнуванням лізосомальних мембран і виходом катепсинів у цитозоль клітини. Як наслідок настає підвищення протеолітичної активності тканин. Катепсини беруть участь у патогенезі автоімунних захворювань і, можливо, утворюють автоантигени.

Ряд протеїназ крові відіграє роль факторів згортання крові, фібринолізу, а також кінінової та ренін-ангіотензинової систем. Зрозуміло, що дія цих ферментів мусить знаходитись під постійним контролем. У цьому плані велике значення мають їх інгібітори – антипротеази. Сироватка крові проявляє потужний антипротеазний вплив. Нормальний перебіг перерахованих вище протеолітичних процесів можливий тільки завдяки відрегульованому співвідношенню системи "протеаза-антипротеаза". Зміни співвідношення між цими системами обов'язково викликають патологічні реакції. Загальна антипротеїназна активність сироватки крові визначається чотирма інгібіторами трипсину: альфа-1-антитрипсин, альфа-2-макроглобулін, інтер-альфа-інгібітор трипсину і термокислотостабільний інгібітор. За природою всі вони є глікопротеїнами, що містять до 20-35 % вуглеводів. В основі інгібуючої дії антипротеїназ знаходиться їх здатність утворювати стійкі комплекси з протеазами, внаслідок чого останні втрачають свою активність. Найбільший несок в антипротеазну активність сироватки крові вносить альфа-1-антитрипсин (більше 90 %). Він інгібує дію трипсину, хімотрипсину, плазміну, калікреїну і еластази. Синтезується гепатоцитами й знаходиться, крім сироватки крові, в бронхіальному і назальному секретах, спинномозковій рідині й дуоденальному вмісті. На електрофореграмі сироватки крові альфа-1-антитрипсин розміщується у фракції альфа-1-глобулінів. Концентрація його в крові складає 2-4 г/л. Фізіологічне призначення альфа-1-антитрипсину зводиться до захисту організму від дії протеолітичних ферментів ендогенного й екзогенного походження, тобто від протеїназ крові, тканин, бактерій, грибків.

Альфа-2-макроглобулін є другим за значенням компонентом антипротеазної системи крові. Його частка в антипротеазній системі крові становить приблизно 10 %. Під час електрофорезу він мігрує разом з альфа-2-глобулінами. Вміст у сироватці крові складає 1,5-4,2 г/л. Альфа-2-макроглобулін здійснює регуляцію (знижує активність) згортальної, фібринолітичної і калікреїнової систем крові. Крім того, йому притаманна здатність розкладати низькомолекулярні токсичні пептиди бактеріального походження і тим самим захищати організм.

Інгібітором хімотрипсину є альфа-1-антихімотрипсин. У сироватці крові його вміст складає 0,1-0,35 г/л. До антипротеаз крові відноситься ще й антитромбін III, який відповідає на 75 % за антитромбінову активність сироватки крові. Він має здатність швидко зв'язуватись із трипсином і плазміном, що призводить до втрати їх протеолітичної активності. Вміст антитромбіну III в плазмі крові становить 0,3-0,4 г/л.

Підвищення активності протеїназ крові має значення для діагностики і лікування захворювань, пов'язаних із руйнуванням клітин і виходом у кров лізосомальних ферментів. Прикладом може служити гострий панкреатит, що супроводжується розпадом тканини та виходом у кров трипсину, який у нормі секретується у дванадцятипалу кишку. Збільшення вмісту трипсину в крові на тлі одночасного зниження активності альфа-2-макроглобуліну є небезпечним для організму, бо супроводжується активацією протеолізу, який призводить до пошкодження клітин і білків плазми крові, активації згортальної, фібринолітичної та кінінової систем. Одночасно спостерігається підвищення активності амілази і ліпази підшлункової залози. За таких ситуацій виникає необхідність термінового застосування інгібіторів протеаз – трасилолу і контрикалу.

Інфаркт міокарда викликає в сироватці крові підвищення активності лізосомальних протеаз, особливо катепсину D, рівень якого залежить від ступеня ураження. Збільшення активності протеаз у сироватці крові спостерігається при ревматизмі та інших колагенозах, при гострих запальних захворюваннях, опіковій хворобі, хірургічних втручаннях. Але в усіх цих випадках, що супроводжують деструкцію тканин, у сироватці крові зростає й активність антипротеаз. Винятком є хронічні неспецифічні захворювання легень, бронхіальна астма, опікова хвороба, при яких антипротеазна активність знижена. Спадкова недостатність альфа-1-анти­трипсину супроводжує неспецифічні захворювання легень у дорослих і цироз печінки в дітей та юнаків. Із сказаного випливає доцільність визначення вмісту інгібіторів протеаз як критеріїв характеристики прогнозу різних захворювань та ефективності застосованої терапії. Про активність трипсину говорять на основі вивчення гідролізу трипсином казеїну з наступним осадженням білків і визначенням у безбілковому надосаді вмісту тирозину.

Антипротеазну активність визначають ензиматичними методами, що грунтуються на спектрофотометричному вимірюванні інгібуючого впливу сироватки крові на гідроліз трипсином синтетичних субстратів.

КЛІНІКО-ДІАГНОСТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ

Вміст загального білка в сироватці крові у дорослих становить 65-85 г/л. Підвищення вмісту загального білка в сироватці крові (гіперпротеїнемія) може бути відносне (втрата води під час опіків, діареї) та абсолютне (мієломна хвороба, інфекційні захворювання і ревматизм). Гіпопротеїнемія – зменшення вмісту білка в сироватці крові, виникає в основному за рахунок зменшення альбумінів і має місце за нефротичному синдромі, ураження печінки, підвищенні проникності стінок судин, білковому голодуванні.

До небілкових азотвмісних органічних компонентів крові відносять сечовину, сечову кислоту, креатинін, креатин, амінокислоти (табл.1). Амінокислоти, які всмокталися із кишечника, в органах і тканинах зазнають різних перетворень. Частина їх використовується для синтезу білків органів і тканин, ферментів, деяких гормонів, гему, креатину. Ті амінокислоти, які не використані для синтезу різних сполук, розпадаються з утворенням аміаку, вуглекислоти і води. Більша частина амінокислот йде на утворення сечовини, яка становить 85-90% загального азоту сечі. Крім сечовини, азот виділяється з сечею у вигляді солей амонію, в складі креатиніну, сечової кислоти, індикану і невеликої частини вільних амінокислот. Усі ці речовини, крім амінокислот, є кінцевими продуктами азотового обміну

 

Таблиця  Основні небілкові азотвмісні органічні компоненти крові

 

Сечовина становить основну масу органічного залишку сечі. Азот сечовини складає 80-90 % усього азоту сечі. Доросла людина за добу виділяє із сечею 20-35 г сечовини. Зменшення концентрації сечовини спостерігається за умов обмеження білка в раціоні, порушення функції печінки, зокрема при переродженні печінки й отруєнні її фосфором. Кількість сечовини знижується також при ацидозі, оскільки значна частина NH₃ використовується для нейтралізації кислот. Разом із тим, ураження нирок (нефрити) супроводжуються погіршенням виділення сечовини в сечу і нагромадженням її у крові. У таких випадках настає отруєння організму продуктами азотного обміну (уремія).

 

Підвищений вміст сечовини в сечі спостерігають при недостатності білка в харчуванні, злоякісній анемії, гарячці, інтенсивному розпаді білків в організмі, після прийому саліцилатів, при отруєннях фосфором (табл.2.), знижений - при цирозі печінки, паренхіматозній жовтяниці, нефриті, ацидозі, уремії (табл.3).

 

Низький вміст сечовини в сечі спостерігається в період інтенсивного росту організму і за умов вживання анаболітиків.

Переважне харчування білковою їжею, а також захворювання, що пов'язані з посиленим розпадом білків (цукровий діабет, злоякісні пухлини, деякі інфекційні хвороби, що супроводжуються лихоманкою), зумовлюють підвищення рівня сечовини в сечі.

Сечова кислота. Сечова кислота є кінцевим продуктом обміну пуринових основ, які входять до складу складних білків нуклеопротеїнів. У нормі в людини з сечею виділяється 1,6 - 3,54 ммоль/добу (270-600 мг/добу) сечової кислоти.

Індикан – калієва або натрієва сіль індоксилсірчаної кислоти. Остання утворюється в печінці як продукт знешкодження індолу. Кількість індикану в сечі за добу становить 40-80 мкмоль. При надлишку індикану сеча набуває коричневого кольору.

За добу із сечею виводиться в середньому 0,6-1,0 г сечової кислоти. Вміст її в сечі може змінюватися залежно від характеру харчування. Зменшення виділення сечової кислоти із сечею (до 0,3-0,5 г на добу) буває в людей, що харчуються переважно вуглеводною їжею, яка не містить пуринів.

М'ясні продукти, ікра, залозисті тканини, багаті на нуклеопротеїни, можуть служити причиною підвищення сечової кислоти в крові й сечі.

Підвищене виділення сечової кислоти – гіперурікурію- спостерігають при всіх захворюваннях, які супроводжуються підсиленим розпадом нуклеопротеїнів (лейкози, лікування цитостатиками, іонізуюче опромінення, опіки, крупозне запалення легень, ревматизм, гемолітична анемія, отруєння свинцем, токсикоз), а також при підвищеному вмісті пуринів у їжі (табл.4). Внаслідок слабкої розчинності сечової кислоти та її солей вони можуть випадати в осад у зібраній сечі, а також утворювати камінці в нижніх відділах сечовивідних шляхів.

 

Гіпоурікурію (зменшення виділення сечової кислоти із сечею) спостерігають при подагрі (не завжди), нефриті, нирковій недостатності, прогресивній м’язовій атрофії (табл.5). При подагрі солі сечової кислоти (урати) відкладаються в хрящах, м’язах і суглобах. Вміст сечової кислоти в крові може бути підвищеним, а з сечею виділятися менше, ніж у нормі.

Із сечею виділяються також проміжні продукти пуринового обміну (20-50 мг на добу): ксантин, гіпоксантин та інші. Застосування деяких лікарських речовин (теобромін, кофеїн), а також споживання значної кількості кави, какао, чаю призводять до появи в сечі метилпохідних пуринових основ.

Креатинін і креатин. Креатинін утворюється із креатинфосфату і є складовою частиною сечі. За добу із сечею виділяється креатиніну у чоловіків 8,8-17,7 ммоль/добу, а у жінок – 7,1-15,9 ммоль/добу, (або 1-2 г за добу), що складає 2-7 % азоту всіх азотовмісних сполук сечі. Кількість креатиніну, що виділяється із сечею, залежить від інтенсивності процесів розпаду білків тканин організму і від вмісту креатиніну в продуктах харчування (його багато в м’ясній їжі).

У нормі із сечею доросла людина виділяє 1-2 г креатиніну за добу. Межі коливання залежать від стану мускулатури. Кількість виділеного креатиніну є сталою для кожної людини і віддзеркалює її м'язову масу. У чоловіків на кожний 1 кг маси тіла за добу виділяється із сечею від 18 до 32 мг креатиніну (креатиніновий коефіцієнт), а в жінок – від 10 до 25 мг. Креатиніновий коефіцієнт невеликий у повних і худорлявих людей, але високий в осіб із розвинутими м'язами.

Синтез креатину, з якого утворюється креатинін, відбувається в нирках і печінці. Тому при тяжких ураженнях печінки і нирок кількість креатиніну в сечі зменшується. Крім того, концентрація креатиніну в сечі може зменшуватися у хворих із послабленням білкового обміну, наприклад, при атрофії м'язів та в інших випадках.

Креатинін не реабсорбується з первинної сечі в канальцях нефронів, тому кількість виділеного креатиніну відображає величину клубочкової фільтрації і за його кількістю можна розраховувати об'єм фільтрації й об'єм реабсорбції в нирках. У ниркових хворих із порушенням фільтрації зменшується виділення креатиніну, а вміст його в крові зростає. Захворювання, при яких відбувається руйнування білків (наприклад, інфекційні хвороби, інтоксикації, викликані деякими отруйними речовинами), проявляються підвищенням вмісту креатиніну в сечі (табл.6).

При втраті білкової маси тіла внаслідок тривалого негативного азотового балансу виділення креатиніну зменшується, а креатину зростає, але сумарне виділення цих двох речовин залишається в загальному постійним. Це спостерігається у хворих на цукровий діабет, гіпертиреоз, лихоманку, а також при голодуванні.

Виділення креатину в дітей більше, ніж у дорослих, аналогічно в жінок його більше виділяється, ніж у чоловіків. Посилене виділення креатину буває у вагітних жінок і в ранньому післяпологовому періоді.

Креатинурія має місце й у людей похилого віку як наслідок атрофії м'язів. Найбільший вміст креатину в сечі спостерігається при патологічних станах м'язової системи, особливо при міопатії та м'язовій дистрофії.

Визначення креатиніну в сечі проводять для дослідження функції нирок.

Вміст креатиніну в сечі залежить від харчування, так як крім ендогенного креатиніну в сечі знаходиться ще креатинін екзогенний, який надходить із м’ясною їжею.

Підвищення виділення креатиніну з сечею (гіперкреатинінурія) спостерігають при споживанні м’ясної їжі, роздавленні м’яких тканин (м’язів), інтенсивній м’язовій роботі, після зняття кровозупинного джгута, лихоманці, пневмонії.

Понижений вміст креатиніну в сечі (гіпокреатинінурія) виявляють при хронічному нефриті з уремією (нирковій недостатності). М’язовій атрофії, дегенерації нирок, лейкемії, в людей похилого віку.

Амінокислоти. За добу здорова людина виділяє із сечею близько 2 ‑ 3,0 г амінокислот. Виділяються із сечею як вільні амінокислоти, так і амінокислоти, що входять до складу низькомолекулярних пептидів та парних сполук. У сечі виявлено 20 різних амінокислот та багато продуктів їх обміну. Вміст амінокислот у сечі зростає при різних патологічних станах, що супроводжуються розпадом тканинних білків – у хворих з травмами, при променевій і опіковій хворобі. Зростання концентрації амінокислот у сечі є свідченням порушення функції печінки і, зокрема, пригнічення утворення білків та сечовини.

Зустрічаються порушення обміну окремих амінокислот, що мають спадковий характер. Наприклад, фенілкетонурія, зумовлена спадковою нестачею в печінці ферменту фенілаланінгідроксилази, внаслідок чого заблоковано перетворення фенілаланіну в тирозин. Для виявлення фенілкетонурії застосовують хлорне залізо: до свіжої сечі додають декілька крапель розчину FeCl₃ і через 2-3 хвилини спостерігають появу оливково-зеленого забарвлення.

До спадкових порушень обміну амінокислот відноситься й алкаптонурія, при якій у сечі різко зростає вміст гомогентизинової кислоти – проміжного продукту обміну тирозину. Сеча, виділена цими хворими, швидко темніє на повітрі.

 

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВОГО АЗОТУ КРОВІ

 

Залишковим азотом крові називають небілковий азот, тобто азот органічних і неорганічних сполук, який залишається після осадження білків у крові. В нормі вміст залишкового азоту дорівнює 0,2-0,4 г/л. Біля 50 % його припадає на сечовину, 25 % – на азот амінокислот, 7,5 % на креатинін і креатин, 0,5 % на амонійні солі й індикан, 13 % – на інші речовини.

Принцип методу

Залишковий азот крові визначають у безбілковому фільтраті після осадження білків крові з наступною мінералізацією бізбілкового фільтрату концентрованою сірчаною кислотою. Азот всіх досліджуваних фракцій у вигляді аміаку зв’язується з сірчаною кислотою, утворює сульфат амонію, який з реактивом Несслера дає сполуку жовто- оранжевого кольору. Інтенсивність забарвлення пропорційна концентрації аміаку, а значить і залишкового азоту в крові.

 

Клініко-діагностичне значення

 

Підвищення залишкового азоту крові називається азотемією. Азотемія може бути двох видів: абсолютною (нагромадження в крові компонентів залишкового азоту) і відносною (дегідратація організму, наприклад, при блювоті, проносі) (табл.7). Залежно від причин, які викликають захворювання, абсолютна азотемія поділяється на ретенційну і продукційну. Ретенційна азотемія виникає в результаті недостатнього виділення з сечею азотовмісних сполук при нормальному потраплянні їх у кров. Ретенційна азотемія може бути нирковою і позанирковою. При нирковій азотемії підвищення концентрації залишкового азоту в крові відбувається внаслідок порушення екскреторної функції нирок. Цей тип азотемії спостерігаються при гломерулонефритах, пієлонефриті, туберкульозі нирок, амілоїдозі нирок. Позаниркові ретенційні азотемії зумовлені порушенням гемодинаміки і, відповідно, зниженням клубочкової фільтрації. Вони виникають у результаті серцево-судинної декомпенсації, локальному порушенні кровотоку в ниркових артеріях.

 

Продукційна азотемія зумовлена надлишковим поступанням у кров продуктів розпаду тканинних білків. Функція нирок при цьому не порушена. Азотемію такого типу спостерігають при кахексії, лейкозах, злоякісних пухлинах, лікуванні глюкокортикоїдами.

Зниження вмісту залишкового азоту спостерігають при недостатньому харчуванні та іноді при вагітності.

Ліпопротеїни крові

Ліпіди в крові, як правило, містяться у вигляді білково-ліпідних комплексів: хіломікрони, a - ліпопротеїни (або ліпопротеїни високої густини – ЛПВГ), пре- b - ліпопротеїни (або ліпопротеїни дуже низької густини – ЛПДНГ), b - ліпопротеїни (або ліпопротеїни низької густини – ЛПНГ) (табл.8), які можна розподілити за допомогою методів електрофорезу, хроматографії, ультрацентрифугування та ін.

Таблиця 8 Основні кліси ліпопротеїнів

 

Ці комплекси відрізняються за кількістю білка, відсотковим вмістом окремих ліпідних компонентів і відносною молекулярною масою. Так, ЛПВГ містять великий відсоток (45-50 %) білка, а значить і більш високу відносну густину (1,063-1,21), водночас як ЛПНГ і ЛПДНГ містять менше білка і значну кількість ліпідів (до 75 %), а тому мають низьку відносну густину (1,01-1,063).

Транспортуючи холестерин з тканин до печінки, ЛПВГ сприяють його метаболізму і виведенню з організму, зменшуючи ризик відкладання його в судинах і виникнення атеросклерозу (рис.1, 2).

Рис.1 Нормальна артерія

 

За допомогою ЛПНГ холестерин транспортується до тканин (надниркових залоз, статевих залоз, мозку тощо). Вони вважаються атерогенними, оскільки їх збільшення призводить до гіперхолестеринемії, атеросклерозу з його наслідками (рис.3).

Рис. 3. Тромбоз пошкодженої бляшки

 

http://www.youtube.com/watch?v=hRx_i9npTDU&feature=related

Рис.4 Будова ліпопротеїну плазми крові

 

Окремі класи ліпопротеїнів розрізняються також за складом білків, що входять до них (рис.4). Білки, що входять до складу ліпопротеїнів плазми крові людини, отримали назву аполіпопротеїнів (апопротеїнів, апобілків, Апо) (табл.9).

Існує п’ять основних сімейств таких білків (А, В, С, D, Е), до яких належать десять основних апопротеїнів: А-1, А-2, А-4, В-48, В-100, С-1, С-2, С-3, D та Е, що входять до складу певних ліпопротеїнів у різних кількісних співвідношеннях (табл.11).

Розділяють ліпопротеїди крові методом центрифугування, оскільки вони розрізняються густиною, або методом електрофорезу (рис.5). Під час електрофорезу при рН 8,6 ЛВГ переміщаються разом із альфа – глобулінами, ЛНГ – з бета‑глобулінами, ЛДНГ – перед фракцією бета-глобулінів, а хіломікрони залишаються на місці нанесення проби.

Рис.5 Порівняльна характеристика ліпопротеїнів

До складу всіх форм ліпопротеїнів крові входять білки, жири, фосфоліпіди, холестерин і його ефіри, але відношення цих компонентів для кожної форми різне (табл.11).

 

Таблиця Склад ліпопротеїнів

 

Будова ліпопротеїдів однотипна: всередині знаходяться нерозчинні у воді ліпіди (ефіри холестерину та триацилгліцерини), а у зовнішньому шарі – білки і фосфоліпіди.

Необхідно зазначити, що ліпопротеїни не є індивідуальними молекулами, а комплексами, асоціаціями молекул, об'єднаних за допомогою гідрофобних сил і, можливо, іонних взаємодій, але без ковалентних зв'язків. Молекулярна маса ліпопротеїнів величезна, від сотень тисяч до мільярдів, при цьому найменша у ЛВГ і зростає у ряді ЛНГ, ЛДНГ і хіломікрони.

 

Рис. 7 Класи ліпопротеїнів крові. Співвідношення розмірів молекул та їх складових компонентів.

Тг триацилгліцерин, Х – холестерин, Фл - фосфоліпіди

http://www.youtube.com/watch?v=x-4ZQaiZry8

У такому ж порядку зростають розміри частинок. Правда, змінюється розмір тільки ядра міцели, а розмір оболонки (її товщина) у всіх ліпопротеїнів складає 2 нм.

Функція кожного класу ліпопротеїнів крові специфічна. Хіломікрони транспортують жири, фосфоліпіди від кишечника до тканин. Інші ліпопротеїни служать для переносу їх від печінки до різних органів і тканин та навпаки.

 

 

Транспорт холестерину

Перенесення холестерину кров'ю здійснюється ліпопротеїнами. На схемі показано утворення ліпопротеїнів плазми крові, їх циркуляція і роль у перенесенні холестерину від печінки до інших тканин і навпаки (рис. 8).

Із печінки холестерин виноситься разом із жиром у складі ліпопротеїнів дуже низької густини. У капілярах жирової й інших тканин ліпопротеїнліпаза каталізує гідроліз жирів ЛДНГ, і жирні кислоти захоплюються клітинами. Після втрати значної кількості жиру ЛДНГ стають у плазмі крові ліпопротеїнами низької густини, оскільки вміст жиру в них знижується із 50 % до 7 %, а холестерину зростає від 20 % до 45‑50 %. У ліпопротеїнах містяться в основному ефіри холестерину, а не вільний холестерин (табл.13).

 

Рис.8. Метаболізм ліпопротеїнів плазми крові

Б – білок, ФЛ – фосфоліпіди, Тр – триацилгліцерин, Х – холестерин, ЕХ – ефіри холестерину, ЖК – жирні кислоти

http://www.youtube.com/watch?v=97uiV4RiSA

Таблиця 13. Властивості ліпопротеїнів дуже низької густини

 

Головна функція ліпопротеїнів низької густини (ЛНГ) – це транспорт холестерину до позапечінкових органів і тканин, де він використовується як структурний компонент мембран чи попередник при синтезі стероїдних речовин. ЛНГ мають менші розміри, ніж хіломікрони та ЛДНГ, і завдяки цьому здатні проникати у позасудинний простір, де зв'язуються із специфічними білками-рецепторами на поверхні клітин (табл.14).

Таблиця 14 Основні властивості іпопротеїдів низької густини

 

Комплекси ЛНГ з рецепторами надходять шляхом ендоцитозу у клітини, після чого ліпопротеїнові частинки захоплюються лізосомами. Ферменти лізосом гідролізують білкову і фосфоліпідну оболонку іпопротеїдів, гідролізують ефіри холестерину, що містяться в ядрі міцели. У результаті в клітинах зростає вміст вільного холестерину, який або використовується для побудови мембран і синтезу стероїдних речовин (гормонів, вітаміну D₃), або депонується у вигляді холестеридів. Підвищення вмісту холестерину в клітинах пригнічує синтез у них білків-рецепторів до ЛНГ і, таким чином, зменшує захоплення клітинами нових ліпопротеїнових частинок. Це, у свою чергу, призведе до зростання концентрації холестерину в крові.

При спадковій сімейній гіперхолестеринемії (гіпербеталіпопротеїнемії) внаслідок генетичного дефекту чи порушенні синтезу білків-рецепторів до ЛНГ знижується поглинання ліпопротеїнів клітинами. У крові зростає концентрація ЛНГ і холестерину, який міститься у цих ліпопротеїнах. При цій спадковій хворобі дуже рано розвивається атеросклероз. Гомозиготна форма цієї хвороби призводить до смерті у віці до 20 років (табл.15).

Транспорт холестерину від клітин різних органів і тканин до печінки здійснюється за допомогою ліпопротеїнів високої густини (ЛВГ). Вони утворюються в печінці, надходять у кров і забирають надлишок холестерину із поверхні периферичних клітин (табл.16). Молекули вільного холестерину із мембран клітин надходять у зовнішню оболонку ЛВГ, де розміщуються між гідрофобними ланцюгами фосфоліпідів.

 

Таблиця 16 Властивості ліпопротеїнів високої щільності

 

У плазмі крові з ЛВГ зв'язується фермент лецитин-холестерин-ацилтрансфераза (скорочено ЛХАТ). Цей фермент каталізує реакцію утворення ефірів холестерину за рахунок перенесення залишку жирної кислоти із положення С-2 холінфосфатиду (лецитину) на холестерин:

Обидва субстрати, холінфосфатид і холестерин, локалізовані поряд у зовнішній оболонці ЛВГ. Оскільки продукти реакції – ефіри холестерину – не мають гідрофільної частини, вони переміщаються із оболонки ліпопротеїну в його ядро. Внаслідок цього вміст холестерину в оболонці ліпопротеїну зменшується і звільняється місце для надходження нових порцій холестерину. У холінфосфатиді в положенні С-2 приєдані в основному ненасичені жирні кислоти, тому утворюються ефіри холестерину з лінолевою кислотою.

Рис.9 Обмін холестерину

Обмін холестерином і його ефірами здійснюється і між циркулюючими у крові ліпопротеїнами, при цьому вільний холестерин, а також фосфоліпіди і триацилгліцерини переносяться із ЛДНГ і ЛНГ до ЛВГ, а на їх місце переносяться ефіри холестерину (рис.9). Крім того, ліпопротеїни різних класів обмінюються білками, що входять до складу оболонки частинок. Внаслідок цих перенесень ЛВГ, які надходять із печінки у формі диску, стають сферичними. В їх ядрі міститься велика кількість ефірів холестерину. Саме ЛВГ сферичної форми захоплюються печінкою. Здатність ЛВГ забирати надлишок холестерину від клітин і інших ліпопротеїнів, переводити його у холестериди і транспортувати до печінки, де холестерин зазнає подальших перетворень, забезпечує їх антиатерогенну дію. У печінці ЛВГ розпадаються, холестерин вивільнюється і поповнює загальний фонд холестерину. Клітини печінки захоплюють також ЛНГ рецепторним механізмом. При цьому виключається синтез у печінці ендогенного холестерину, синтез білка – компонента ЛДНГ, а включається синтез білка – компонента ЛВГ. Тим самим пригнічується секреція ЛДНГ і стимулюється секреція ЛВГ (рис.10).

Рис.10 Схема метаболізму ліпопротеїнів крові.

Принцип визначення і клінічна оцінка співвідношення альфа і бета-ліпопротеїнів

Метод грунтується на електрофоретичному розділенні на фракції заздалегідь пофарбованих суданом чорним ліпопротеїнів сироватки крові з наступним визначенням оптичної густини екстрагованих фракцій і вирахуванням відсоткового співвідношення між a - ЛП і b – ЛП (табл.17).

 

Таблиця17 Ліпідограма людини

 

Клініко - діагностичне значення

При гострих гепатитах, цирозах печінки, застійних жовтяницях спостерігаєть зменшення a - ЛП у сироватці крові. Збільшення фракції b - ЛП може мати місце при цукровому діабеті, гіпотирозі, атеросклерозі, глікогенній хворобі.

 

БІОХІМІЯ ІМУННОЇ СИСТЕМИ. Загальна характеристика

Клітини і молекули імунної системи розпізнають величезну кількість різноманітних сторонніх клітин і речовин, відрізняючи їх від клітин і речовин власного організму. Сторонні (або змінені "свої") структури, проти яких розвивається захисна реакція імунної системи, називаються антигенами. Після ідентифікації антигенів функціональні елементи імунної системи нейтралізують і видаляють їх.

http://www.youtube.com/watch?v=Ys_V6FcYD5I&feature=related

Типовими антигенами є сторонні білки і полісахариди. Вони можуть бути в плазматичній мембрані чужих клітин або потрапляти в організм у вільному вигляді. Антигенні властивості проявляють і нуклеїнові кислоти та складні ліпіди. Ділянку високомолекулярного антигену, яка визначає імунну реакцію, називають антигенною детермінантою, а також епітопом.

Наприклад, на молекулі полісахаридного антигену детермінанта, яку розпізнає рецептор В-лімфоцита, відповідає 5-6 залишкам моносахаридів. А на молекулах глобулярних білків-антигенів розпізнається детермінанта із 4-6 амінокислотних залишків. Антигенні детермінанти білків часто формуються із залишків амінокислот, які знаходяться далеко один від одного в поліпептидному ланцюгу, але зближені внаслідок просторової укладки на поверхні молекули білка. Молекули високомолекулярних антигенів можуть мати значну кількість антигенних детермінант різної структури.

Такі низькомолекулярні сполуки, як лікарські препарати і їх метаболіти, можуть спричинити імунну реакцію, якщо вони асоційовані з білком чи полісахаридом. Ці низькомолекулярні речовини називаються гаптенами. У цьому випадку не обов'язково, щоб гаптен був приєднаний до чужого біополімера. Він може бути зв'язаний з білком чи полісахаридом даного організму, які самі по собі не викликають реакції імунної системи, тобто є "своїми".

На рис. 11 показана організація імунної системи. Постійний нагляд за антигенним складом клітин і тканин організму з метою розпізнавання "чужого" здійснюють лімфоїдні клітини.

Рис. 11 Організація лімфатичної системи

На поверхні їх є білки-рецептори, які розпізнають і специфічно зв'язують чужі антигени. На поверхні В-лімфоцитів рецепторними молекулами служать мембранні форми імуноглобулінів. Вони розпізнають чужі антигени. Білки-рецептори Т-лімфоцитів розпізнають тільки ті "свої" клітини, що несуть і свої, і чужі антигенні детермінанти. Зв'язування антигену з рецептором на поверхні лімфоцитів запускає активацію, проліферацію й диференціацію клітин. Т‑лімфоцити видозмінюються у ряд субпопуляцій з різноманітними функціями – Т-хелпери, Т-супресори і цитотоксичні Т‑ефектори (рис.12).

Перші дві субпопуляції Т-клітин виконують регуляторні функції, а цитотоксичні Т-ефектори зв'язуються зі своїми клітинами-мішенями і руйнують їх (клітинний імунітет). В‑лімфоцити перетворюються в плазматичні клітини, які синтезують і секретують у плазму крові імуноглобуліни (антитіла), специфічні до антигену, який зумовив їх появу (гуморальний імунітет). Число видів антитіл з різною специфічністю в організмі людини оцінюється в 10⁷-10⁸. Кожна плазматична клітина живе всього 2-3 дні, але разом клітини одного клону (нащадки одного В-лімфоцита) встигають виробити величезну кількість антитіл.

У результаті взаємодії антитіл із розчинними молекулами-антигенами утворюються мультимолекулярні комплекси. Ці комплекси ендоцитуються і перетравлюються тканинними макрофагами. Антитіла взаємодіють і з антигенами поверхні чужих клітин, що призводить до активації системи комплементу. Остання функціонує подібно до системи згортання крові і шляхом ланцюга ферментативних реакцій зумовлює утворення великої кількості пор у плазматичній мембрані, а в результаті – лізис клітин.

Таким чином, в основі імунологічного розпізнавання лежить взаємодія рецепторів поверхневої мембрани імунокомпетентних клітин чи антигеноспецифічних молекул, які секретуються цими клітинами, з відповідними їм ділянками антигенів. Імунна система організму за допомогою антитіл, системи комплементу, цитотоксичних Т-ефекторів, а також ряду інших лімфоїдних клітин та їх продуктів виявляє і знищує "чуже".

Ушкодження імунної системи знижують опірність організму людини до інфекцій. Імунологічна недостатність може бути наслідком дефіциту стовбурових клітин лімфоїдного ряду, порушень розмноження і диференціації Т- чи В-лімфоцитів, дефіциту системи комплементу. Розрізняють первинні і вторинні імунодефіцитні стани. У людей з імунологічною недостатністю спостерігається висока частота утворення злоякісних пухлин. Надзвичайно сильна імунна відповідь на сторонні антигени призводить до ушкодження тканин організму (реакцій гіперчутливості). При автоімунних захворюваннях імунна система атакує молекули і клітини власного організму. Порушення імунологічної толерантності може бути спонтанним або викликаним дією екзогенних факторів.

Антитіла

Антитіла, або імуноглобуліни (Ig), – це розчинні білки сироватки крові, які відносяться до фракції гама-глобулінів (рис.13, 14, 15). Деякі з них відкривають і у фракціях альфа₂ і бета-глобулінів. Відомо 5 класів імуноглобулінів: IgG, IgA, IgM, IgD, IgE (табл.18). Класи IgG i IgA діляться на підкласи.

 

  
Рис. 14. Молекули імуноглобуліну

 

Рис. 15 Приклади імуноглобулінів

 

Молекули антитіл складаються із легких (L) і важких (Н) поліпептидних ланцюгів (рис. 16). Легких ланцюгів існують 2 види: κ (каппа) і λ (лямбда), а важких – 5 (g, α, μ, δ, ε), за якими і визначають 5 класів Ig. Молекулярна маса легких ланцюгів – 22500, а важких – від 53000 до 75000. До складу антитіл входить по парі легких і важких ланцюгів одного виду.

Молекули IgG, IgD i IgE мономерні, а IgA i IgM – олігомерні, тобто містять декілька мономерів із 4-х ланцюгів. Усі імуноглобуліни є глікопротеїнами з ковалентно зв'язаними олігосахаридними ланцюгами. Вуглеводна частина визначає швидкість розпаду антитіл, що здійснюється в гепатоцитах. У табл. 19 наведено склад усіх класів антитіл, молекулярна маса, концентрація в сироватці крові і період напіврозпаду, а на рис. 17, 18 – структура IgG.

Рис. 16. Будова імуноглобулінів: а - пептидні ланцюги імуноглобулінів (Н - важкі, L - легкі); б - молекула IgM, п’ять мономерів звязантх дисульфыдними звязками; в - комплекси антиген - антитіло.

Рис. 17 Типова будова імуноглобуліна

 

Таблиця 19. Характеристика класів імуноглобулінів людини

 

 

У молекулах антитіл поліпептидні ланцюги з'єднані між собою дисульфідними зв’язками, крім того, і важкі і легкі ланцюги містять внутрішньо ланцюгові дисульфідні зв’язки. В олігомерних Ig  мономери з’єднані між собою і з додатковим J ланцюгом також дисульфід ними зв’язками. У всіх легких і важких поліпептидних ланцюгів розрізняють константні С-ділянки з незмінною амінокислотною послідовністю, характерною для всіх антитіл даного класу (у тварин одного виду), і варіабельні V-ділянки, амінокислотна послідовність яких різна в антитіл різної специфічності. V‑ділянки включають близько 110 амінокислотних залишків з N-кінця легких ланцюгів і близько 120 залишків у важких ланцюгах. Дослідження просторової структури антитіл показали, що поліпептидні ланцюги побудовані із компактних доменів (рис. 19, 20), подібних за амінокислотною послідовністю і просторовою структурою.

Рис. 19. Структурні компоненти імуноглобцлінів

 

У межах кожного домену поліпептидний ланцюг утворює антипаралельну бета-складчасту структуру, стабілізовану водневими зв'язками. Константна ділянка важких ланцюгів складається із трьох (IgG, IgA, IgD) або чотирьох (IgM, IgE) доменів, а варіабельна ділянка утворює окремий домен. Легкі ланцюги складаються з двох доменів – константного (С) і варіабельного (V). Домени зв'язані невеличкими гнучкими ділянками поліпептидного ланцюга (шарнірними).

Рис. 20 Будова константної ділянки

У кожному ланцюгу в межах варіабельного домену є три невеликих сегменти, амінокислотна послідовність яких особливо мінлива. Саме ці гіперваріабельні ділянки одного легкого і одного важкого ланцюга разом формують центр зв'язування антигену. Він має форму заглибини різних розмірів, поверхні якої утворені гіперваріабельними послідовностями амінокислот, що забезпечує величезну різноманітність антигенних (активних) центрів. У мономерних молекулах IgG, IgD і IgE є 2 активні центри з однаковою специфічністю (двовалентна молекула), а в олігомерних IgA і IgM – відповідно більше.

Реакція зв'язування антитілами антигенів характеризується високою специфічністю і відбувається аналогічно взаємодії субстрату з активним центром ферменту.

Як сказано вище, антитіло зв'язується тільки з фрагментом антигену, антигенною детермінантою. Взаємодія здійснюється за рахунок водневих зв'язків, гідрофобних, електростатичних і вандерваальсових сил. Чим більша просторова відповідність (комплементарність) активного центру антитіла і антигенної детермінанти, тим міцніше зв'язування антитіла з антигеном. Молекула антитіла, що має високу спорідненість до певного антигену, може зв'язувати з меншим ступенем спорідненості інші антигени, близькі за структурою детермінанти (перехресна реактивність).

При гідролізі молекул імуноглобулінів протеолітичним ферментом папаїном утворюються 3 фрагменти: 2 однакових Fab-фрагменти з центрами зв'язування антигену і Fc-фрагмент. Останній включає константні домени важких ланцюгів, які відповідають за вторинні біологічні функції антитіл: зв'язування й активацію комплементу, зв'язування з Fc-рецепторами на поверхні макрофагів, поліморфноядерних лейкоцитів, опасистих клітин, здатність проникати через плацентарний бар'єр. Оскільки Ig різних класів відрізняються константними ділянками важких ланцюгів, біологічні властивості їх різні. Першими під час імунної реакції на антиген утворюються IgM. Вони особливо ефективні в процесі активації комплементу, аглютинації та фагоцитозі клітин. Тільки IgG здатні проникати через плацентарний бар'єр, що забезпечує новонароджену дитину захистом від інфекцій протягом перших декількох тижнів життя. IgG відіграють дуже важливу роль у протибактерійному імунітеті: нейтралізують розчинні бактеріальні токсини, зв'язуються з бактеріями і полегшують поглинання їх фагоцитами. При вторинній імунній відповіді синтезуються в основному IgG. IgA є головним секреторним антитілом і забезпечує захист слизових оболонок кишечника, дихальних шляхів від інфекцій. Майже весь IgD міститься на поверхні лімфоцитів і бере участь у їх дозріванні та активації. Антитіла класу IgE зв'язуються рецепторами опасистих клітин і базофілів, що відіграє дуже важливу роль у швидкому розвитку алергічних реакцій.

Система комплементу

Система комплементу – це складний комплекс близько 20 білків сироватки крові, які синтезуються макрофагами або гепатоцитами і разом з антитілами та спеціалізованими клітинами беруть участь у захисті організму від інфекцій.

Компоненти системи функціонують подібно до білкових факторів у процесах згортання крові та фібринолізу, утворюючи каскад ферментативних реакцій. За рахунок каскадного механізму на первинний сигнал розвивається багаторазово посилена відповідь. Активація системи комплементу відбувається або імунним комплексом антиген-антитіло (класичний шлях активації), або під дією патогенних мікроорганізмів чи їх ендотоксинів без участі антитіл (альтернативний шлях). Останній особливо важливий, коли в організмі ще не синтезувались антитіла. Обидва шляхи спричиняють утворення мембрано-атакуючого комплексу, який зумовлює осмотичний лізис клітини-мішені. У процесі активації деякі білки системи розщеплюються на активний фермент, що діє на наступний компонент системи, і невеликий пептид. Ці низькомолекулярні пептиди також є біологічно активними речовинами і виконують ряд важливих функцій.

Більшість білків системи комплементу позначаються буквами С з цифрою, яка, проте, не відповідає порядку їх у послідовності реакцій. При розщепленні компонента на 2 продукти більший отримує символ “в”, а менший – символ “а”.

Під час активації комплементу класичним шляхом перший компонент білок – C1q зв'язує антитіло (IgM чи IgG), приєднане до антигену на поверхні бактерії. Молекула C1q має 6 центрів зв'язування антитіл, і конфігурація її схожа на пучок з 6 тюльпанів. C1q не проявляє ферментативної активності, але він асоціюється з білками C1r і C1s, які після активації проявляють протеолітичну активність і каталізують перетворення наступних компонентів системи (рис. 21).

Утворюється комплекс (С4b2b) з активністю ферменту С3-конвертази. А при активації комплементу альтернативним шляхом також утворюється комплекс із С3‑конвертазною активністю (С3bBb). Компонент С3 міститься в сироватці крові в найбільшій концентрації (1,2 г/л). Під дією С3-конвертаз він розщеплюється на С3b, який ковалентно зв'язується з мембраною, і низькомолекулярний пептид С3а. Утворений С3b сприяє подальшій активації С3. Ряд білкових факторів контролюють рівень С3-конвертаз і, таким чином, обмежують активність системи. Далі послідовність реакцій однакова для обох шляхів активації комплементу. На мембрані мікроорганізму відбувається самозбирання з білків С5b, С6, С7, С8, С9 активного комплекcу, який пронизує подвійний ліпідний шар мембрани. Через трансмембранний канал усередину клітини потрапляють іони Nа⁺ і вода, що зумовлює осмотичний лізис її.

Рис. 21 Класичний і альтернативний шляхи активації комплементу. Пунктирні лінії означають процес активації

 

Низькомолекулярні пептиди С3а i С5а, які вивільняються під час процесу активації комплементу, викликають дегрануляцію опасистих клітин, базофілів та еозинофілів, скорочують гладку мускулатуру, збільшують проникність стінок капілярів. С5а діє як хемотаксичний агент для поліморфноядерних лейкоцитів і моноцитів. Ці здатні до фагоцитозу клітини містять рецептори до компонента С3b, зв'язаного з мемб­раною мікроорганізмів. Взаємодія рецепторів з С3b забезпечує адсорбцію бактерій на фагоцитах. Зв'язування антитіл з антигенами поверхні бактерій полегшує поглинання бактерій фагоцитами.

 

 

 

Молекули рецепторів В- і Т-лімфоцитів

Рецепторними молекулами для антигенів на поверхні В-лімфоцитів є мембранні форми антитіл. Різниця між сироватковими і мембранними імуноглобулінами полягає тільки в наявності на мембранному варіанті в С-кінці важких ланцюгів невеликого фрагмента із залишків гідрофобних амінокислот, який пронизує подвійний ліпідний шар клітинної мембрани і, таким чином, міцно утримує білок на поверхні клітини. На поверхні одного В-лімфоцита рівномірно розміщено близько 10⁵ молекул імуноглобулінів, ідентичних за антигенною специфічністю.

В організмі людини існує близько 10⁷ клонів В-лімфоцитів. Кожний клон складають нащадки однієї клітини, специфічні до одної антигенної детермінанти. При потраплянні в організм антигену відбирається клон В-лімфоцитів, мембранні імуноглобуліни якого з високою спорідненістю зв'язують даний антиген. Практично для будь-якого, природного чи синтетичного, антигену в організмі знайдеться хоч би один клон клітин, здатний його зв'язувати. Та фактично на кожну антигенну детермінанту реагує не один клон лімфоцитів, а декілька чи навіть декілька десятків клонів, які відрізняються будовою активного центру антитіл і ступенем спорідненості до антигену. Така реакція імунної системи забезпечує надійність виконання захисної функції.

Приєднання антигену до специфічного імуноглобуліну-рецептора В‑лімфоцитів служить сигналом для активації клітин цього клону, проліферації їх і диференціації в плазматичні клітини, які продукують антитіла, ідентичні антитілу-рецептору. Але ці процеси вимагають ще додаткових сигналів від Т-лімфоцитів і макрофагів. Частина активованих В лімфоцитів клону не диференціюються в плазмоцити, а залишаються як клітини пам'яті і забезпечують швидкий розвиток імунної реакції при повторному надходженні антигену в організм (рис 22.). Таким чином, антитіла утворюються до появи антигену, і він сам запускає селекцію клону клітин, який продукує спрямовані на нього антитіла. Завдяки цьому механізму клональної селекції в організмі накопичуються антитіла у достатньо високій концентрації, щоб ефективно боротися з інфекцією.

Малий наївний В-лімфоцит перебуває на стадії G₀ клітинного циклу, після активації антигеном він збільшується у розмірі і входить у клітинний цикл. Після кількох поділів його потомство диференціюється або в ефекторні плазматичні клітини, що секретують антитіла, або у В-клітини пам'яті, котрі зберігаються в організмі впродовж тривалого часу.

 

Рис. 22 Шляхи розвитку В-лімфоцита після активації антигеном.

 

Білки-рецептори Т-лімфоцитів відрізняються від мембранних імуноглобулінів В-лімфоцитів, але мають подібну структуру (рис. 23).

Рис. 23 Т-клітинний рецептор. Антиген в комплексі з молекулами ГКГС розпізнається трансмембранним гетеродимером, що містить альфа-і бете ланцюги, в кожному з яких є варіабельний і константний домени. Рецептор міцно зв’язується з ланцюгами g, d і e, утворюючи комплекс Т3

 

Вони складаються із двох поліпептидних ланцюгів – альфа і бета. Кожний ланцюг має константний і варіабельний домени. Близько до С-кінця ланцюгів є ділянка, багата гідрофобними амінокислотами, яка пронизує клітинну мембрану. Ланцюги з'єднані дисульфідним зв'язком. Крім того, рецептор нековалентно, але міцно зв'язаний з білком Т3, який має декілька поліпептидних ланцюгів і бере участь у передачі сигналу від рецептора всередину клітини.

На відміну від імуноглобулінів-рецепторів В-лімфоцитів рецептори Т‑клітин не взаємодіють з вільним антигеном, а розпізнають розміщену на поверхні клітин комбінацію антигену з білками головного комплексу гістосумісності (ГКГС). Для закріплення в мембрані клітини молекула нативного білка-антигену надходить шляхом ендоцитозу в клітину, де зазнає часткової денатурації й протеолізу, а потім переміщується на поверхню й асоціюється з молекулами ГКГС. Такими клітинами, які презентують антиген Т-лімфоцитам, можуть бути макрофаги, В-лімфоцити, дендрити і клітини лімфоїдних органів, клітини Лангерганса шкіри. Зв'язування рецептора Т-лімфоцита з комплексом антигену і білків ГКГС на поверхні клітин, які презентують антиген, служить першим сигналом для активації лімфоцита. Другий сигнал – це дія білка інтерлейкіну-1, який виробляється макрофагами. У результаті проліферації і диференціації із відповідних попередників утворюються зрілі Т-хелпери, цитотоксичні Т-ефектори, Т-супресори і Т‑клітини пам'яті.

Зв'язування антигенів із рецепторами лімфоцитів запускає перехід клітини із стану спокою в мітотичний цикл. Для цього сигнал із мембрани клітини передається в цитоплазму і ядро. Внутрішньоклітинними посередниками в передачі сигналу служать інозитолтрифосфат і діацилгліцерол, іони Са²⁺, цГМФ. Але механізми реалізації сигналу, набір протеїнкіназ і їх субстратів, зміни в експресії генів вивчені ще недостатньо.

 

Молекули головного комплексу гістосумісності

 

При дослідженні процесу відторгнення трансплантата під час пересадки органів і тканин була відкрита група генів, яку назвали головним комплексом гістосумісності (ГКГС) (рис.24).

Рис. 24. Головний комплекс гістосумісності

 

Гени ГКГС розміщені в 6-й хромосомі й існують у багатьох алельних варіантах. Число комбінацій різних алелів ГКГС досягає декількох мільйонів. Величезний поліморфізм генів ГКГС зумовлює такий же ступінь поліморфізму білкових продуктів ГКГС. Білки ГКГС розташовані на поверхні багатьох клітин. Оскільки з практичною метою (зокрема при трансплантації органів) їх визначають у лейкоцитах, комплекс називають також системою НLА (лейкоцитарні антигени людини). Пересадка органів і клітин між особами, які не пов'язані близькими родинними зв'язками, частіше всього закінчується відторгненням трансплантанта. Оскільки різні люди розрізняються за системою НLА, у реципієнта розвивається імунна відповідь на антигени донора. Підбір донора і реципієнта за антигенними властивостями білків ГКГС має важливе значення для успішного проведення трансплантації.

Відомі два класи білків ГКГС. Білки класу І побудовані із двох поліпептидних ланцюгів – великого і малого, а також містять приєднані ковалентними зв'язками олігосахариди. Великий ланцюг складається із трьох доменів, орієнтованих у міжклітинний простір, а С-кінець ланцюга закріплений у мембрані. Малий ланцюг – це білок бета-2-мікроглобулін, що має близько 100 амінокислотних залишків і укладається в окремий домен. Бета-2-мікроглобулін у дуже малій кількості міститься в сироватці крові, а також у сечі. Великий і малий ланцюги об'єднуються нековалентними зв'язками. Білки ГКГС класу І знайдені на мембрані всіх клітин, що містять ядра. На кожній клітині є 2-3 варіанти білків, які розрізняються між собою 10-20 % амінокислотних залишків. Білки класу І унікальні для кожної людини і служать маркерами імунологічної індивідуальності організму (білки індивідуальності).

Білки ГКГС класу ІІ також складаються із двох поліпептидних ланцюгів (альфа і бета, приблизно однакових за розміром, що мають по два позамембранні домени і С-кінцем закріплені в мембрані (рис. 25).

Рис. 25 Організація головного комплексу гістосумісності (Н-2 комплексу) у щурів. Н-2К, Н-2D, H-2L - гени, контролюючі антиген I класу; Аb , Аa , Еb , Еa - гени, контролюючі антигени II класу; a, b – поліпептидні ланцюги антигенів I и II класів; b2-М - b2-мікроглобулін

 

Білки класу ІІ менш поширені і знаходяться на поверхні деяких клітин, що мають відношення до імунітету – В-лімфоцитів, макрофагів, епітеліальних клітин тимуса і шкіри. У комплексі НLА розміщені ще гени, які кодують декілька компонентів комплементу (їх позначають як гени і продукти класу ІІІ).

Відкриті як трансплантаційні, білки ГКГС виконують в організмі ряд важливих функцій. Вони беруть участь як поверхневі клітинні маркери у взаємодії між різноманітними лімфоїдними клітинами, а також між Т‑лімфоцитами та клітинами, що презентують антиген. Так, рецептори Т‑лімфоцитів розпізнають антиген, розміщений на поверхні клітини разом із білками ГКГС. Під час взаємодії утворюється тримолекулярний комплекс із антигену, глікопротеїну ГКГС і Т-клітинного рецептора. Детермінанти антигенів, які розпізнаються рецепторами Т-лімфоцитів, відрізняються від детермінант, які взаємодіють з рецепторами В-лімфоцитів і викликають утворення антитіл. Залежно від асоціації антигену з білками ГКГС класу І чи ІІ, у взаємодію вступають різні популяції Т‑лімфоцитів. Рецептори Т-хелперів реагують на антиген поряд з білками класу ІІ, а ­рецептори цитотоксичних Т-ефекторів (Т-кіллерів) – на комплекс антигену з білками класу І. Таким чином, білки ГКГС ніби спрямовують цитотоксичний Т-ефектор на його "мішень", наприклад на клітину, заражену вірусом. Утворюється міцний контакт Т-ефектора і клітини-мішені, після чого лімфоцит викидає на мембрану клітини-мішені гранулу з білком перфорином. Останній утворює пори в клітинній мембрані клітини-мішені, через які всередину надходять вода й електроліти, що ініціює лізис клітини.

Т-хелпери, активовані внаслідок взаємодії з комплексом антигену з білками ГКГС, виробляють різноманітні білкові фактори-лімфокіни – комунікаційні молекули імунної системи.

Лімфокіни

У процесах активації, проліферації і диференціації клітин імунної системи беруть участь ряд розчинних факторів білкової природи – лімфокіни, цитокіни. Більшість із них утворюються Т-лімфоцитами. Ростові фактори стимулюють проліферацію і клональну експансію лімфоцитів, а фактори диференціації забезпечують їх дозрівання у клітини з ефекторними функціями. Ряд факторів стимулюють утворення в кістковому мозку клітин-попередників гранулярних лейкоцитів, моноцитів і опасистих клітин. Ще ряд факторів впливають на макрофаги. Надзвичайно широкий спектр ефектів проявляє імунний гама-інтерферон, який продукується активованими Т-лімфоцитами, інтерлейкін-1 – продукт макрофагів і фібробластів. На клітинах-мішенях є рецептори до відповідних лімфокінів (рис.26). Структура і властивості факторів і їх рецепторів, молекулярні механізми передачі сигналів всередину клітин і реалізації клітинної відповіді інтенсивно вивчаються. Деякі дані про лімфокіни та інші фактори регуляції функцій клітин, що мають відношення до імунітету, наводяться у табл. 20, 21, 22.

 

Рис. 26 Компоненти системи комплементу

 

Таблиця 20 Представники про- і протизапальних цитокінів

 

Таблиця 21. Колонієстимулюючі фактори (КСФ)

 

 

Таблиця 22. Фактори, які діють на макрофаги

 

Генетичні основи різноманітності антитіл

В організмі людини синтезуються мільйони різних видів антитіл. Очевидно, що різниця в структурі центрів зв'язування антигенів, зумовлена головним чином відмінностями в амінокислотних послідовностях варіабельних ділянок поліпептидних ланцюгів, які беруть участь у побудові центрів. Раніше вважали, що для кожного поліпептидного ланцюга всіх можливих антитіл існує окремий ген і повний набір генів передається з покоління в покоління. Але в геномі людини просто нема стільки ДНК, щоб кодувати десятки мільйонів різних антитіл на додачу до багатьох тисяч білків, які виконують інші функції в організмі. Вважають, що геном людини включає 50-100 тисяч різних генів. Як же тоді забезпечується різноманітність антитіл?

Встановлено, що гени антитіл мають фрагментарну організацію, і величезна різноманітність антитіл в організмі забезпечується перетасуванням невеликого набору генних фрагментів (рис. 27). Ген для варіабельної ділянки легких ланцюгів включає фрагменти (їх називають сегментами) V i J, а ген варіабельної ділянки важких ланцюгів – сегменти V, J i D. Ці сегменти існують у численних копіях. У геномі є декілька сотень V-сегментів і 4 J-сегменти для варіабельної ділянки легких капа-ланцюгів, декілька сотень V-сегментів, 20 D-сегментів і 4 J-сегменти для варіабельної області важких ланцюгів. Сегменти розміщені в різних місцях геному, але можуть переміщуватись і збиратись з утворенням різноманітних комбінацій. У процесі диференціації В-лімфоцитів утворюється клон з якоюсь певною комбінацією сегментів у повному гені. Об'єднання сегментів має випадковий характер, тому число варіантів дорівнює добутку кількостей сегментів у геномі (3•10⁴ для важких ланцюгів і 800 для легких ланцюгів).

Рис. 27 Схема утворення гена важкого ланцюга антитіл і його експресії

 

Спочатку V i J-сегменти легких ланцюгів чи V- , D- і J- сегменти важких ланцюгів об'єднуються за рахунок переміщень на рівні ДНК у повний ген V-домену, який зближується з одним із генів константних доменів. У результаті отримуємо повний ген легкого чи важкого ланцюга. Місця з'єднань сегментів у повний ген можуть зміщуватись на декілька нуклеотидів, що підвищує різноманітність амінокислотних послідовностей у ланцюгах. На другому етапі по всій довжині гена відбувається транскрипція. З утвореної РНК у процесі сплайсингу видаляються інтрони, а після цього в цитоплазмі на мРНК синтезується поліпептидний ланцюг. Легкі і важкі ланцюги, об'єднуючись у різних комбінаціях, утворюють антитіла. Таким чином, генерація різноманітності антитіл забезпечується рекомбінацією сотень сегментів V-генів, неточностями з'єднання сегментів у повний ген, випадковістю асоціації різних важких і легких ланцюгів у функціонально активні молекули антитіл.

Збір функціональних генів імуноглобулінів відбувається в два етапи.

Крім того, різноманітність антитіл зростає за рахунок соматичних мутацій різних типів у генах імуноглобулінів під час диференціації В‑лімфоцитів у плазматичні клітини. Встановлено, що мутації у гіперваріабельних ділянках V-доменів з'являються на декілька порядків частіше, ніж середній темп мутацій в інших еукаріотичних генах. Механізми, які зумовлюють велику частоту соматичних мутацій у V-генах імуноглобулінів, поки що не розкриті. Таким чином, вклад у генерацію різноманітності антитіл роблять два механізми – рекомбінаційний і мутаційний. Соматичні мутації можуть також підвищувати спорідненість антитіл до антигенів, але можуть і знижувати її або зумовлювати повну втрату здатності антитіл взаємодіяти з антигеном.

Аналогічно до генів імуноглобулінів організовані гени поліпептидних ланцюгів рецепторів Т-лімфоцитів. Число клонів Т-лімфоцитів із різною специфічністю складає 8•10⁶.

Імунодефіцитні стани.

Існує велика група захворювань спадкової або набутої природи, загальною ознакою яких є дефект гуморальної або клітинної ланки імунітету, що одержало назву імунодефіцитних станів. Розрізняють первинні ìмунодефіцити (вроджені) і вторинні (набуті). Спадкові або первинні імунодефіцитні стани обумовлені мутаціями генів імунної відповіді. Відомі гени Ir, які зв‘язані з локусом гістосумісності і кодують утворення антигенних рецепторів Т-лімфоцитів. Інша група генів кодує імуноглобулінові рецептори і антигенну структуру В-лімфоцитів. Встановлено, що синтез важких і легких ланцюгів імуноглобулінів кодується  різними структурними генами. Ще один тип генетичного контролю реалізується через анатомічний і функціональний розвиток органів імунітету. Все це обумовлює різноманітність генних мутацій, наслідком яких може бути імунний дефіцит в його широких проявах і різні типи успадкування.

Імунодефіцитні стани, які спричинені мутаціями, проявляються у вигляді дефектів процесів дозрівання, диференціації та функції Т- і В-клітин, а також синтезу певних класів імуноглобулінів.

Вроджена вада імунної системи може бути обумовлена генетичним блоком на різних рівнях перетворення стовбурових клітин у Т- і В-лімфоцити або на наступних етапах їх диференціації. Також  відомі спадкові дефекти взаємодії клітин в імунній відповіді

Рис. 27 Порушення дозрівання В-лімфоцитів, що призводять до імунодефіцитів

1-Агамаглобулінемія, зчеплена з Х-хромосомою

2-Імунодефіцит із посиленою продукцією Ig M

3 – Ізольований дефіцит Ig А

4 – Дефіцит підкласів Ig G

 

При блоці перетворення стовбурової клітини в тимоцит випадає функція всієї Т-системи, у тому числі її взаємодія з В-системою клітин. Нездатність тимоциту перетворитись у Т-лімфоцит обумовлює зниження ГСТ.

Відхилення в процесах подальшого розвитку різних популяцій Т-лімфоцитів виражаются функціональною недостатністю Т-хелперів, супресорів і Т-ефекторів.

Генні мутації можуть проявитись і на різних етапах розвитку В-лімфоцитів: дозріваня стовбурових клітин, формування В-лімфоцитів, розвитку окремих їх субпопуляцій, синтезу окремих класів імуноглобулінів.

Вроджені, первинні імунодефіцити поділяються на:

1. Імунодефіцити В-системи імунітету.

2. Імунодефіцити Т-системи імунітету.

3. Комбіновані імунодефіцити.

4. Вади системи фагоцитозу.

5. Вади системи комплементу.

1. Імунодефіцити В- системи імунітету

Всякий дефект у дозріванні чи диференціації В-лімфоцитів спричинює пригнічення синтезу антитіл і підвищує схильність до гнійно-запальних захворювань і колагенозів.

Агаммаглобулінемія. У 1952 році Брутон описав хворобу, при якій у сироватці хворого були відсутні гаммаглобуліни. Вияснилось, що агаммаглобулінемія зумовлена дефектом в одному з генів на Х хромосомі. Хлопчики, маючи тільки одну Х хромосому, при її ушкодженні хворіють на різні бактерійні инфекції, тому що їх пре-В-лімфоцити не дозрівають до В-лімфоцитів і згодом останні не перетворюються в плазматичні клітини. Це зумовлено дефектом цитоплазматичної тирозин-кінази, яка передає активуючий сигнал в ядро клітини для її перетворення в зрілий В-лімфоцит клітину. Відсутність В-лімфоцитів і плазматичних клітин є причиною низького рівня імуноглобулінів всіх класів. Найчастіше серед збудників гнійних рецидивуючих інфекційних уражень шкіри, легень, вуха, нервової системи в цих дітей виділяють стафілококи, стрептококи, гемофільні бактерії тощо. Захворювання в хлопчиків помічають лише у 7-10 місячному віці, коли припиняється захисна дія материнських імуноглобулінів. Проте ці діти, незважаючи на відсутність імуноглобулінів, порівняно стійкі до вірусних інфекцій. Лікування антибіотиками і постійне внутрішньовенне введення імуноглобулінів деякий час дозволяє виживати дітям, хоча зрілого віку вони не досягають і вмирають від бактеріальних інфекцій.

Дисгаммаглобулінемія. Цей імунодефіцит відзначається малою кількістю імуноглобулінів певного класу. Наприклад, обмежена кількість iмуногло буліну А спричиняє часті бактерійні інфекціі легень, хвороби шлунково-кишечного тракту, аутоімунні процеси чи алергіі.

Одним із проявів недостатності В-системи є хвороба важких ланцюгів, яка асоційована з дефектом m -, g- і a -ланцюгів. При хворобі a-ланцюгів найчастіше уражається шлунково-кишечний тракт, при дефекті g- ланцюгів спостерігається лімфаденопатія, гепатоспленомегалія, лімфоцитарна інфільтрація тканин.

Лікування таких станів, як правило, симптоматичне, яке включає введення імуноглобулінів і антибіотиків.

2. Імунодефіцити Т- системи імунітету

Хвороби, викликані дефіцитом Т-лімфоцитів, більш небезпечні, ніж ті, що обумовлені дефіцитом B-лімфоцитів. Цей дефект асоціюється не тільки з пригніченою функцією Т-системи, але й з порушенням функціювання B-лімфоцитів, яких активують Т-лімфоцити. Хворі на Т-клітинний дефіцит переважно страждають вірусними, грибковими і протозойними інфекціями, у них знижені або відсутні реакціі гіперчутливості сповільненого типу і трансплантаційні реакціі.

Дефекти системи комплементу

Система комплементу включає біля 20 компонентів, тому можливості виникнення імунодефіциту великі. Відсутність тільки одного компоненту паралізує дію всієї системи. Більшість захворювань, спричинені дефіцитом комплементу - спадкові. Майже всі генетичні пошкодження системи комплементу асоційовані з гомозиготним дефектом структурних генів. Дефіцит С1, С2, С4 обумовлює підвищену частоту захворювань імунних комплексів, аутоімунних уражень, наприклад, «вовчакоподібну хворобу». Дефект С3 приводить до рекурентних бактеріальних інфекцій, так як і вторинний дефіцит С3, який виникає в результаті неповноцінності фактору І. Дефіцит компонентів С5 - С9, що атакують мембрани, асоціюється з хронічними або повторними менінгококовими чи гонококовими інфекціями. Часто зустрічається спадковий недолік інгібітора С1, який клінічно проявляється ангіоневротичним набряком, що викликається вазоактивним фрагментом С2.

Набуті або вторинні імунодефіцити

Коли такі стани виникають? Легше сказати, коли вони не виникають. Вторинні імунодефіцити є постійними супутниками інвазій, вірусних і бактерійних інфекцій, будь-якого хронічного процесу, голодування, тривалого прийому гормонів, антибіотиків, втрати білків нирками і іншими шляхами, операцій, які продовжуються більше двох годин, окремо наркозу і багатьох інших негативних для організму ситуацій.

Яка небезпека такого стану? На основі дефектів імунітету виникає хронізація основного процесу, зростає тяжкість хвороби, що може привести до інвалідності, летального кінця, розвитку дистрофічних і виразкових процесів у різноманітних органах, підвищенню ризику виникнення злоякісних пухлин. Особливо слід зупинитися на ролі вірусів у розвитку вторинних імунодефіцитів.

Здатність вірусів, як внутрішньоклітинних паразитів пошкоджувати життєво важливі функції органів і тканин за межами основного вогнища захворювання, в тому числі і в лімфоїдній тканині, лежить в основі цілого ряду ускладнень, таких як вірусна імунодепресія, вторинні бактеріальні інфекції та інш. Наприклад, вірус краснухи, викликаючи внутрішньоутробну інфекцію, обумовлює розвиток тяжкого комбінованого імунодефіциту. З одного боку, вірус, взаємодіючи з імунною системою організму, поводить себе як антиген і стимулює імунні реакції, з іншого боку, веде себе як внутрішньоклітинний паразит і пригнічує функціональну активність лімфоїдних клітин, перетворюючи їх у мішень для дії цитотоксичних механізмів.

Вторинна імунна недостатність при вірусних інфекціях характеризується лімфопенією, особливо зменшується кількість Т-лімфоцитів, пригнічується функціональна активність В-лімфоцитів, фагоцитарної системи і комплементу. При вірусному гепатиті знижуються  реакція ГСТ, цитопатична здатність кілерів, зменшується кількість Т-клітин. При цитомегаловірусній інфекції активуються супресорні механізми, що приводить до пригнічення В-клітин; вірус СНІДу уражає в першу чергу Т-хелпери, клітини мікроглії, макрофаги, В-лімфоцити, що обумовлює повний параліч імунної системи.

Класифікація вторинних імунодефіцитів аналогічна класифікації первинних імунодефіцитів.

Запідозрити у хворого імунодефіцитний стан можна в наступних випадках. В осіб з рецидивуючими інфекційними хворобами при умові їх хронічного перебігу, з нестійкими ремісіями, неповним видужанням. У випадку неадекватних реакцій на введення живих вакцин, наявність у  близьких родичів проявів імунологічної недостатності, дані об’єктивного обстеження пацієнта (затримка розвитку, втрата маси тіла, органомегалія, дерматити, абсцеси, кандидоз, підвищена втомлюваність тощо), після радіо- або хіміотерапії, при аутоімунних і алергічних станах, пухлинному процесі.

Останніми роками було встановлено важливу роль імунної системи у патогенезі синдрому підвищеної втоми і синдромі хронічної втоми.

Синдром підвищеної втоми було вперше описано в нашій країні при обстеженні осіб, що постраждали внаслідок Чорнобильської катастрофи. Основною ознакою цього стану є хронічна втома, яка не зникає після відпочинку, апатія, погіршення памяті, що супроводжується дисфункцією імунної системи. У таких людей різко зростає частота респіраторних захворювань, герпетичн