Доминирующим белком эритроцитов является гемоглобин (НЬ): их цитоплазма представляет собой, по существу, 34%-ный раствор этого гемопротеина. Благодаря ему 1 л крови способен связывать около 210 мл кислорода, тогда как в плазме этого количества крови может раствориться не более 17-18 мл Ог. Но самое главное заключается в том, что особенности четвертичной структуры гемоглобина (см. раздел 1.6) делают его очень чувствительным к условиям среды. И прежде всего - к парциальному давлению кислорода (р02) в окружающем растворе.
График на рис. 1-21 (кривая Б) показывает, что степень оксигенации гемоглобина не пропорциональна значению р02, а находится в Б-образной зависимости от него. За время прохождения крови по легочному капилляру (обычно 0,8 с) газовый состав ее успевает уравновеситься (путем простой диффузии) с концентрацией газов в альвеолярном воздухе, где р02 составляет обычно около 100 мм рт.ст. При таком содержании Ог гемоглобин практически полностью насыщается кислородом, превращаясь в оксигемоглобин (НЬ02).
Путем диффузии происходит и переход кислорода из плазмы крови в другие ткани, где р02 находится на уровне примерно 40 мм рт. ст. (в состоянии покоя). Как следует из кривой оксигенации гемоглобина (рис. 1-21), в этих условиях НЬ02 отдает почти четверть своего кислорода (что составляет около 50 мл 02 на каждый литр крови, проходящей через капилляры). В случае дальнейшего уменьшения р02 наступает более крутое падение кривой насыщения гемоглобина кислородом. Действительно, в этом диапазоне снижение рОг всего лишь на 20 мм рт. ст. уменьшает оксигенацию гемоглобина еще на треть, т.е., приводит к добавочному освобождению 70-80 мл 02 (в расчете на
л крови), а не 50 мл 02, как это происходит при начальном перепаде р02 от 100 до 40 мм рт. ст.
Таким образом, именно гемоглобину кровь обязана способностью доставлять от легких ко всем другим органам и тканям примерно 600 л кислорода в сутки. Важно и то, что каждый из потребителей черпает 02 из крови вне зависимости от других, а лишь в соответствии с собственными нуждами. Удовлетворение их (т.е., утилизация поступающего кислорода) ведет к локальному снижению р02 и, как следствие, к привлечению новых порций 02- И чем интенсивнее клетки потребляют кислород (в процессах биологического окисления), тем больше ускоряется темп передачи им кислорода окси- гемоглобином. Иными словами, в ответ на снижение р02 в клетках гемоглобин автоматически обеспечивает усиление их снабжения кислородом, и степень этого усиления тем значительнее, чем интенсивнее утилизируется кислород в митохондриях данного органа (ткани). Например, при мышечной работе потребление
миоцитами может увеличиваться в десятки раз, и это не требует повышения концентрации гемоглобина в крови!
ТРАНСПОРТ С02
У взрослого человека ежесуточно образуется до 500 л С02 в качестве одного из конечных продуктов метаболизма. Поэтому в тканях (кроме легочной) его парциальное давление (рС02) составляет не менее 60 мм рт. ст., что заметно выше, чем в притекающей к ним артериальной крови (—40 мм рт. ст). Хотя эта разница не очень велика, диффузия газа в кровь протекает достаточно быстро, ибо С02 примерно в 20 раз более растворим, чем 02.
При прохождении кровью капилляров легких диффузия физически растворенного С02 происходит в обратном направлении - из плазмы крови, через стенки капилляров и альвеол в просвет последних. В результате газовый состав венозной крови (рС02 ~ 60 мм рт. ст.), доставляемой легочными артериями, уравновешивается с альвеолярным воздухом, так что
в оттекающей от легких крови рС02 вновь снижается до 40 мм рт. ст.
Здесь уместно пояснить, что альвеолярный воздух обновляется перемешиванием не с атмосферным, а с газовой смесью, заполняющей трахею и бронхиальное дерево и лишь частично обновляемой в цикле вдох-выдох. Отсюда и градиент концентрации газов в альвеолярном, выдыхаемом и вдыхаемом воздухе. При спокойном дыхании значения рС02 в них составляют соответственно 40. 28 и 0,2 мм рт. ст., а р02 - 100,126 и 160 мм рт. ст.
Сравнительно небольшая величина арте- рио-веиозной разницы рС02 позволяет переносить в физически растворенном виде не более
10% углекислого газа, подлежащего удалению из организма. Основная же масса СОг транспортируется в виде ионов бикарбоната (НСОз')* И главную роль в этом играют эритроциты.
Уже при своем появлении С02 относительно легко подвергается спонтанной гидратации с образованием угольной кислоты (см. уравнение [11-8]). В миллионы раз ускоряет эту реакцию Еп2+-содержащий фермент карбо- ангидраза, локализованная в цитоплазме эритроцитов. Будучи слабой кислотой, Н2С03 в физиологических условиях частично диссоциирует на протон и ион бикарбоната. Эта диссоциация угольной кислоты, накапливающейся в эритроцитах, приводит к двум важным последствиям.
Одно их них - диффузия избыточного НСОз’ из эритроцитов в плазму. Ее облегчает встречный поток иоиов СГ, которые вне клеток сильно преобладают над остальными анионами. Следовательно, при прохождении кровью капилляров тканей поступающий в нее С02 эритроциты не только сами накапливают в форме НСОз" (в дополнение к физически растворенному газу СОг), но еще и обогащают бикарбонатом плазму (рис. 13-1, справа).
Другое последствие связано с чувствительностью гемоглобина к pH среды. Накопление протонов (освобождаемых, в данном случае, угольной кислотой) смещает вправо кривую насыщения гемоглобина кислородом (кривая Б на рис. 1-21). Это означает, что при тех же значениях р02 диссоциация оксигемоглоби- на становится более глубокой (эффект Бора). Получается интересная закономерность: поступление С02 в кровь ие только освобождает ткани от бремени этого конечного метаболита, но и содействует более полной передаче им кислорода, доставленного в форме НЬ02.
В основе эффекта Бора лежат аллостери- ческие свойства НЬ. А именно: оксигенация вызывает конформациоиные сдвиги, ведущие к разрыву в глобине нескольких ионных связей
—СОО- +1ЧН3— («солевых мостиков»). Этим
усиливаются кислотные свойства белка, ибо НЮ2 как кислота сильнее, чем Н2С03 или, тем более, иеоксигеиированный гемоглобин (кото-
рый часто обозначают как Н-НЬ, — протониро- ванный гемоглобин). Подкисление среды способствует протоиированию глобина (и тем самым диссоциации НЮ2 на О2 и Н-НЬ), а повышение pH облегчает связывание О2 с Н-НЬ, сопровождаемое выделением протонов. Как и свойственно аллостерическим эффектам, соотношения здесь не являются стехиометрически- ми: связывание 1 экв. 02 освобождает из гемоглобина примерно 0,7 моля Н+.
Когда кровь проходит по капиллярам легких, с участием СОг протекают те же самые процессы, но - в обратном направлении (левая половина рисунка 13-1). Разумеется, и в этой ситуации движущими силами, диктующими итоговое направление обратимых процессов, тоже являются перепады концентраций каждого из газов. Здесь они предопределяют движение СО2 из крови в альвеолярное пространство, а 02 - в противоположную сторону.
Диффузия СО2 из крови в просвет альвеол создает тенденцию к уменьшению концентрации физически растворенного газа в эритроцитах и. как следствие, содержания в них Н2СО3. Замедлить эту убыль может только реакция протонирования внутриклеточного бикарбоната, использование которого автоматически компенсируется равновесным притоком его из плазмы. Использование же протонов в этой реакции грозит уменьшением их концентрации в клетке (т.е., повышения внутриклеточного pH). Противодействие этой угрозе оказывает протекающий параллельно процесс оксигена- ции гемоглобина, т.к. он сопровождается освобождением протонов из Н-НЬ при превращении его в НЬ02(см. рис. 13-1).
Важно отметить: хотя связывание С02 (в виде бикарбоната) происходит в эритроцитах, преобладающая часть НСОз" транспортируется с плазмой крови, но в капиллярах легких вновь проходит через эритроциты, чтобы превратиться в Н2СО3 и далее (с участием карбоангидра- зы) расщепиться на Н20 и С02, способный диффундировать в просвет альвеол. Соотношения обычно таковы: с плазмой переносится в 7-8 раз больше СО2 (в форме бикарбоната), чем в составе эритроцитов, продуцирующих этот бикарбонат.
Немного С02 переносится к легким в форме карбгемоглобипа. Так называют продукт присоединения С02 к а-аминогруппам ]Ч-кон- цов а- и (3-цепей глобина:
Гемоглобин легче удерживает карбамино- вые группы, чем НЬ02. Поэтому в капиллярах тканей карбгемоглобина образуется несколько больше, чем его остается после прохождения кровью легочных капилляров. За счет этой разницы и осуществляется транспорт небольшой доли СОг к легким в форме карбгемоглобина.
Белки плазмы тоже склонны к образованию карбаминовых соединений с СОг- Но концентрация возникающих при этом продуктов не зависит от степени оксигенации крови, а потому в артериальных сосудах практически такая же. как в венозных. Следовательно, белки плазмы не играют существенной роли в транспорте С02 в форме карбаминов.
Таким образом, именно эритроциты вносят решающий вклад в процессы газообмена в организме. Эти клетки обеспечивают взаимную связь обеих частей дыхательной функции крови - транспорта кислорода и переноса углекислоты. При этом оксигенация гемоглобина в легких способствует более полному вытеснению углекислоты из крови, тогда как поглощение тканевого СОг эритроцитами усиливает диссоциацию НЪ02, повышая тем самым эффективность передачи кислорода тканям.
