Медицина

Біохімія крові

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

 

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. 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 (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.

Нейтрофіли складають 60-70 % від усіх лейкоцитів. 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. 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. 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. 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.  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.

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.

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. 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.  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 містять потужний апарат синтезу білків-імуноглобулінів, енергію одержують, здебільшого, за рахунок гліколізу, рідше – аеробним ­шляхом. 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 група клітин, покинувши кістковий мозок, потрапляє в тимус. Там вони перетворюються в Т-лімфоцити і через кров переносяться в лімфоїдну тканину.

Тромбоцити (кров'яні пластинки) – 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. 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+. 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.

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

Синтез гему

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

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.

Мінорні гемоглобіни еритроцитів дорослої людини – гемоглобін А2, що має структуру альфа2 дельта2, глікозильовані гемоглобіни А1b і НbА. 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.

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. Серпоподібні клітини менш стабільні й швидко зазнають лізису.

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. )

 

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.

 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.

Молекула гемоглобіну, що має 4 геми, зв'язує 4 молекули кисню.

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.

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. Таким чином, міоглобін пристосований до ефективного зв'язування, запасання киснем і забезпечення ним процесу тканинного дихання в м'язовій тканині.

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).

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.

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.

2+ 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.

3+ у метгемоглобіні може взаємодіяти з різними аніонами (ОН, Сl, СN-, S2- 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 (НСО3-2СО3) 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 НСО3-2СО3 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 НСО3-2СО3 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 НРО42-. Спряжена кислотно-основна пара Н2РО4-–НРО42- 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.