Кислород в крови находится в растворенном виде и в соединении с гемоглобином. В плазме растворено очень небольшое количество кислорода, каждые 100 мл плазмы крови при напряжении кислорода (100 мм рт. ст.) могут переносить в растворенном состоянии лишь 0.3 мл кислорода. Это явно недостаточно для жизнедеятельности организма. При таком содержании кислорода в крови и условии его полного потребления тканями минутный объем крови в покое должен был бы составлять более 150 л/мин. Важен другой механизм переноса кислорода путем его соединения с гемоглобином.
Каждый грамм гемоглобина способен связать 1.34 мл кислорода. Максимальное количество кислорода, которое может быть связано 100 мл крови, - кислородная емкость крови (18,76 мл или 19 об%). Кислородная емкость гемоглобина - величина, отражающая количество кислорода, которое может связаться с гемоглобином при его полном насыщении. Другой показатель дыхательной функции крови - содержание кислорода в крови, который отражает истинное количество кислорода, как связанного с гемоглобином, так и физически растворенного в плазме.
В 100 мл артериальной крови в норме содержится 19-20 мл кислорода, в таком же объеме венозной крови - 13-15 мл кислорода, при этом артерио-венозная разница составляет 5-6 мл.
Показатель степени насыщения гемоглобина кислородом – отношение количества кислорода, связанного с гемоглобином, к кислородной емкости последнего. Насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом у здоровых лиц составляет 96%.
Образование оксигемоглобина в легких и его восстановление в тканях находится в зависимости от парциального напряжения кислорода крови: при его повышении насыщение гемоглобина кислородом возрастает, при понижении - уменьшается. Эта связь носит нелинейный характер и выражается кривой диссоциации оксигемоглобина, имеющей S-образную форму.
Оксигенированной артериальной крови соответствует плато кривой диссоциации, а десатурированной крови в тканях - круто снижающаяся ее часть. Пологий подъем кривой в верхнем ее участке (зона высокого напряжения О 2) свидетельствует, что достаточно полное насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом обеспечивается даже при уменьшении напряжения 0 2 до 70 мм рт.ст.
Понижение напряжения О 2 со 100 на 15-20 мм рт. ст. практически не отражается на насыщении гемоглобина кислородом (НЬО; снижается при этом на 2-3%). При более низких значениях напряжения О 2 оксигемоглобин диссоциирует значительно легче (зона крутого падения кривой). Так, при снижении напряжения 0 2 с 60 до 40 мм рт. ст. насыщение гемоглобина кислородом уменьшается приблизительно на 15%.
Положение кривой диссоциации оксигемоглобина количественно принято выражать парциальным напряжением кислорода, при котором насыщение гемоглобина составляет 50%. Нормальная величина Р50 при температуре 37°С и рН 7.40 - около 26.5 мм рт. ст..
Кривая диссоциации оксигемоглобина при определенных условиях может смещаться в ту или иную сторону, сохраняя S-образную форму, под влиянием изменения:
3. температуры тела,
В работающих мышцах в результате интенсивного метаболизма повышается образование СО 2 и молочной кислоты, а также возрастает теплопродукция. Все эти факторы понижают сродство гемоглобина к кислороду. Кривая диссоциации при этом сдвигается вправо, что приводит к более легкому освобождению кислорода из оксигемоглобина, и возможность потребления тканями кислорода увеличивается.
При уменьшении температуры, 2,3-ДФГ, снижении напряжения СО 2 и увеличении рН кривая диссоциации сдвигается влево, сродство гемоглобина к кислороду возрастает, в результате чего доставка кислорода к тканям уменьшается.
6. Транспорт углекислого газа кровью . Углекислый газ переносится к легким в форме бикарбонатов и в состоянии химической связи с гемоглобином (карбогемоглобин).
Углекислый газ является продуктом метаболизма клеток тканей и поэтому переносится кровью от тканей к легким. Углекислый газ выполняет жизненно важную роль в поддержании во внутренних средах организма уровня рН механизмами кислотно-основного равновесия. Поэтому транспорт углекислого газа кровью тесно взаимосвязан с этими механизмами.
В плазме крови небольшое количество углекислого газа находится в растворенном состоянии; при РС0 2 = 40 мм рт. ст. переносится 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Количество растворенного в плазме углекислого газа в линейной зависимости возрастает от уровня РС0 2 . В плазме крови углекислый газ реагирует с водой с образованием Н + и HCO 3 . Увеличение напряжения углекислого газа в плазме крови вызывает уменьшение величины ее рН. Напряжение углекислого газа в плазме крови может быть изменено функцией внешнего дыхания, а количество ионов водорода или рН - буферными системами крови и HCO 3 , например путем их выведения через почки с мочой. Величина рН плазмы крови зависит от соотношения концентрации растворенного в ней углекислого газа и ионов бикарбоната. В виде бикарбоната плазмой крови, т. е. в химически связанном состоянии, переносится основное количество углекислого газа - порядка 45 мл/100 мл крови, или до 90 %. Эритроцитами в виде карбаминового соединения с белками гемоглобина транспортируется примерно 2,5 мл/100 мл крови углекислого газа, или 5 %. Транспорт углекислого газа кровью от тканей к легким в указанных формах не связан с явлением насыщения, как при транспорте кислорода, т. е. чем больше образуется углекислого газа, тем большее его количество транспортируется от тканей к легким. Однако между парциальным давлением углекислого газа в крови и количеством переносимого кровью углекислого газа имеется криволинейная зависимость: кривая диссоциации углекислого газа.
Роль эритроцитов в транспорте углекислого газа. Эффект Холдена.
В крови капилляров тканей организма напряжение углекислого газа составляет 5,3 кПа (40 мм рт. ст.), а в самих тканях - 8,0-10,7 кПа (60-80 мм рт. ст.). В результате С0 2 диффундирует из тканей в плазму крови, а из нее - в эритроциты по градиенту парциального давления С0 2 . В эритроцитах С0 2 образует с водой угольную кислоту, которая диссоциирует на Н + и HCO 3 . (С0 2 + Н 2 0 = Н 2 СО 3 = Н + + HCO 3). Эта реакция протекает быстро, поскольку С0 2 + Н 2 0 = Н 2 СО 3 катализируется ферментом карбоангидразой мембраны эритроцитов, которая содержится в них в высокой концентрации.
В эритроцитах диссоциация углекислого газа продолжается постоянно по мере образования продуктов этой реакции, поскольку молекулы гемоглобина действуют как буферное соединение, связывая положительно заряженные ионы водорода. В эритроцитах по мере освобождения кислорода из гемоглобина его молекулы будут связываться с ионами водорода (С0 2 + Н 2 0 = Н 2 С0 3 = = Н + + HCO 3), образуя соединение (Нb-Н +). В целом это называется эффектом Холдена, который приводит к сдвигу кривой диссоциации оксигемоглобина вправо по оси х, что снижает сродство гемоглобина к кислороду и способствует более интенсивному освобождению его из эритроцитов в ткани. При этом в составе соединения НЬ-Н + транспортируется примерно 200 мл С0 2 в одном литре крови от тканей к легким. Диссоциация углекислого газа в эритроцитах может быть лимитирована только буферной емкостью молекул гемоглобина. Образующиеся внутри эритроцитов в результате диссоциации С0 2 ионы НСОз с помощью специального белка-переносчика мембраны эритроцитов выводятся из эритроцитов в плазму, а на их место из плазмы крови закачиваются ионы Сl - (феномен «хлорного» сдвига). Основная роль реакции С0 2 внутри эритроцитов заключается в обмене ионами Сl - и НСОз между плазмой и внутренней средой эритроцитов. В результате этого обмена продукты диссоциации углекислого газа Н + и НСОз будут транспортироваться внутри эритроцитов в виде соединения (Нb-Н +), а плазмой крови - в виде бикарбонатов.
Эритроциты участвуют в транспорте углекислого газа от тканей к легким, поскольку С0 2 образует прямую комбинацию с - NН 2 -группами белковых субъединиц гемоглобина: С0 2 + Нb -> НbС0 2 или карбаминовое соединение. Транспорт кровью С0 2 в виде карбаминового соединения и ионов водорода гемоглобином зависит от свойств молекул последнего; обе реакции обусловлены величиной парциального давления кислорода в плазме крови на основе эффекта Холдена.
В количественном отношении транспорт углекислого газа в растворенной форме и в форме карбаминового соединения является незначительным, по сравнению с его переносом С0 2 кровью в виде бикарбонатов. Однако при газообмене С0 2 в легких между кровью и альвеолярным воздухом эти две формы приобретают основное значение.
Когда венозная кровь возвращается от тканей к легким, С0 2 диффундирует из крови в альвеолы и РС0 2 в крови снижается с 46 мм рт. ст. (венозная кровь) до 40 мм рт.ст. (артериальная кровь). При этом в величине общего количества С0 2 (6 мл/100 мл крови), диффундирующего из крови в альвеолы, доля растворенной формы С0 2 и карбаминовых соединений становится более значительной относительно бикарбонатной. Так, доля растворенной формы составляет 0,6 мл/100 мл крови, или 10 %, карбаминовых соединений - 1,8 мл/100 мл крови, или 30%, а бикарбонатов - 3,6 мл/100 мл крови, или 60 %.
В эритроцитах капилляров легких по мере насыщения молекул гемоглобина кислородом начинают освобождаться ионы водорода, диссоциировать карбаминовые соединения и НСОз вновь превращается в С0 2 (Н+ + НСОз = = Н 2 С0 3 = С0 2 +Н 2 0), который путем диффузии выводится через легкие по градиенту его парциальных давлений между венозной кровью и альвеолярным пространством. Таким образом, гемоглобин эритроцитов играет основную роль в транспорте кислорода от легких к тканям, и углекислого газа в обратном направлении, поскольку способен связываться с 0 2 и Н + .
В состоянии покоя через легкие из организма человека за минуту удаляется примерно 300 мл С0 2: 6 мл/100 мл крови х 5000 мл/мин минутного объема кровообращения.
7. Регуляция дыхания. Дыхательный центр, его отделы. Автоматия дыхательного центра.
Хорошо известно, что внешнее дыхание постоянно изменяется в различных условиях жизнедеятельности организма.
Дыхательная потребность. Деятельность функциональной системы дыхания всегда подчинена удовлетворению дыхательной потребности организма, которая в значительной степени определяется тканевым метаболизмом.
Так, при мышечной работе по сравнению с покоем возрастает потребность в кислороде и удалении двуокиси углерода. Для компенсации повышенной дыхательной потребности увеличивается интенсивность легочной вентиляции, что выражается в увеличении частоты и глубины дыхания. Роль двуокиси углерода. Эксперименты на животных показали, что избыток двуокиси углерода в воздухе и крови (гиперкапния) стимулирует легочную вентиляцию за счет учащения и углубления дыхания, создавая условия для удаления из организма ее избытка. Напротив, снижение парциального давления двуокиси углерода в крови (гипокапния) вызывает уменьшение легочной вентиляции вплоть до полной остановки дыхания (апноэ). Это явление наблюдается после произвольной или искусственной гипервентиляции, во время которой из организма в избытке удаляется двуокись углерода. В результате сразу же после интенсивной гипервентиляции возникает остановка дыхания - постгипервентиляционное апноэ.
Роль кислорода. Недостаток кислорода в атмосфере, снижение его парциального давления при дыхании на большой высоте в условиях разреженной атмосферы (гипоксия) также стимулируют дыхание, вызывая увеличение глубины и особенно частоты дыхания. В результате гипервентиляции недостаток кислорода частично компенсируется.
Избыток кислорода в атмосфере (гипероксия), наоборот, снижает объем легочной вентиляции.
Во всех случаях вентиляция изменяется в направлении, способствующем восстановлению измененного газового состояния организма. Процесс, называемый регуляцией дыхания, заключается в стабилизации дыхательных показателей у человека.
Под главным дыхательным центром понимают совокупность нейронов специфических дыхательных ядер продолговатого мозга.
Дыхательный центр управляет двумя основными функциями; двигательной, которая проявляется в виде сокращения дыхательных мышц, и гомеостатической, связанной с поддержанием постоянства внутренней среды организма при сдвигах в ней содержания 0 2 и С0 2 Двигательная, или моторная, функция дыхательного центра заключается в генерации дыхательного ритма и его паттерна. Благодаря этой функции осуществляется интеграция дыхания с другими функциями. Под паттерном дыхания следует иметь в виду длительность вдоха и выдоха, величину дыхательного объема, минутного объема дыхания. Гомеостатическая функция дыхательного центра поддерживает стабильные величины дыхательных газов в крови и внеклеточной жидкости мозга, адаптирует дыхательную функцию к условиям измененной газовой среды и другим факторам среды обитания.
Тра́нспортные белки́ - собирательное название большой группы белков , выполняющих функцию переноса различных лигандов как через клеточную мембрану или внутри клетки (у одноклеточных организмов), так и между различными клетками многоклеточного организма. Транспортные белки могут быть как интегрированными в мембрану, так и водорастворимыми белками, секретируемыми из клетки, находящимися в пери- или цитоплазматическом пространстве, в ядре или органеллах эукариот.
Основные группы транспортных белков:
- хелатирующие белки;
- белки-транспортёры.
Энциклопедичный YouTube
1 / 1
✪ Cell Membranes and Cell Transport
Субтитры
Ты когда-нибудь предствлял, как это было бы - очутиться внутри клетки? Представь генетический материал, цитоплазму, рибосомы - их ты найдешь почти в КАЖДОЙ клетке - и прокариот и эукариот. Эукариотические клетки вдобавок имеют еще и мембранные органоиды. Все эти органоиды выполняют разные функции. Но клетки - не изолированные маленькие миры. Они имеют кучу всего внутри, но они также взаимодействуют и с внешней средой. Это имеет смысл для поддержания стабильной внутренней среды - иначе называемой гомеостазом - они должны контролировать то, что происходит внутри них и снаружи. Очень важная структура, ответственная за все клеточное содержимое - это клеточная мембрана. Контролируя то, что происходит внутри и снаружи, мембрана помогает поддерживать гомеостаз. Давай взглянем на клеточную мембрану. Ты можешь подробно изучить клеточную мембрану - она имеет потрясающую структуру и сигнальные способности. Но в основе своей она состоит из фосфолипидного бислоя. Бислой значит 2 слоя, т.е. у нас есть 2 слоя липидов. Эти липиды, называемые фосфолипидами, состоят из полярных головок, и неполярных хвостиков. У некоторых молекул нет проблем с проникновением через мембрану прямо сквозь фосфолипидный бислой. Очень маленькие неполярные молекулы прекрасно подходят под эту категорию. Так же как и некоторые газы. Кислород и углекислый газ - хорошие примеры. Это явление известно, как простая диффузия. На перемещение молекул внутрь и наружу таким образом не затрачивается энергии, так что этот процесс относится к категории пассивного транспорта. Простая диффузия идет по градиенту концентрации. Молекулы движутся из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Поэтому, когда ты слышишь, как кто-то говорит, что что-то происходит по градиенту, вот что они имеют в виду. Они подразумевают движение молекул из области с большей концентрации к области с меньшей. Помнишь, как мы сказали, что клеточная мембрана вообще-то довольно сложная структура? Ну, одна вещица, которую мы еще не упомянули - это мембранные белки, и некоторые из них - транспортные белки. Некоторые транспортные белки образуют собой каналы. Некоторые из них изменяют свою форму, чтобы пропустить вещества внутрь. Некоторые из них открываются и закрываются под действием каких-то стимулов. И эти белки - крутые штуки, потому что они помогают молекулам, которые или слишком великоваты, чтобы самостоятельно пройти, или слишком полярны. И тогда им нужна помощь транспортных белков. Это известно, как облегченная диффузия. Это все еще диффузия, и молекулы все еще движутся по градиенту концентрации от большего к меньшему. Она не требует энергии, так что это тип пассивного транспорта. Белок просто является облегчителем, или помощником, в этом деле. Заряженные ионы часто используют белковые каналы для движения. Глюкоза нуждается в помощи транспортного белка. В процессе осмоса, для быстрого прохождения воды через мембрану, вода проходит через мембранные каналы, называемые аквапоринами. Все это примеры облегченной диффузии, которая является разновидностью пассивного транспорта, когда движение идет по градиенту концентрации от большего к меньшему. Все, что мы уже упомянули, касалось только пассивного транспорта, т.е. движения от большей концентрации к меньшей. Но что если нам нужно пройти в обратную сторону? Например, клетки кишечника должны поглощать глюкозу. Но что если концентрация глюкозы в клетке выше, чем снаружи? Нам нужно всосать глюкозу внутрь, а для этого она должна быть протащена против градиента концентрации. Движение молекул из области с низкой концентрацией в область с высокой требует энергии, потому что идет против потока. Обычно, это энергия АТФ. Я напомню, что АТФ - аденозинтрифосфат - включает 3 фосфогруппы. Когда связь с последним фосфатом разрывается, освобождается огромное количество энергии. Это просто потрясная маленькая молекула. АТФ может активировать активный транспорт, заставляя молекулы двигаться против градиента концентрации. И один из способов - это использование транспортных белков. Один из наших любимых примеров активного транспорта - это натрий-калиевый насос, так что на него определенно стоит обратить внимание! Еще раз, когда клетке нужно затрачивать энергию для транспорта, значит речь идет об активном транспорте. Но давай предположим, что клетке нужна очень большая молекула - большой полисахарид (если ты запамятовал, загляни в наше видео о биомолекулах). Тебе может понадобиться клеточная мембрана, чтобы связать молекулу и таким образом протянуть ее внутрь. Это называется эндоцитоз - от "эндо" - внутрь. Часто это слияние веществ с клеточной мембраной образует везикулы, которые могут быть отшнурованы внутри клетки. Эндоцитоз - это основной термин, но есть и несколько разных типов эндоцитоза, в зависимости от того, как клетка втягивает вещество внутрь. Амебы, например, используют эндоцитоз. Ложноножки вытягиваются и окружают то, что амеба хочет съесть, и замет затягивает в вакуоль. Существуют и другие формы, такие как причудливый рецептор-опосредованный эндоцитоз - когда клетки могут быть очень очень очень придирчивы к тому, что они принимают, потому что поглощаемое вещество должно связаться с рецепторами, чтобы попасть внутрь. Или пиноцитоз, которые позволяет клетке поглощать жидкости. Так что погугли, чтобы узнать больше деталей о разных типах эндоцитоза. Экзоцитоз противоположен эндоцитозу, так как в нем молекулы выводятся наружу ("экзо значит наружу). Экзоцитоз может быть использован для избавления клеток от отходов, но это так же очень важен для выведения наружу важных материалов, производимых клеткой. Хочешь крутой пример? Вернемся к полисахаридам - ты знал, что гигантские углеводороды очень важны для образования растительной клеточной стенки? Клеточная стенка отличается от клеточной мембраны - у всех клеток есть мембраны, но не у всех клеток есть стенка. Но если тебе вдруг понадобилась клеточная стенка, тебе понадобится, чтобы где-то внутри клетки были произведены углеводороды для этой стенки. Это отличный пример необходимости экзоцитоза. Это все! И мы напоминаем тебе - оставайся любопытным!
Транспортная функция белков
Транспортная функция белков - участие белков в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.
Есть разные виды транспорта, которые осуществляются при помощи белков.
Перенос веществ через клеточную мембрану
Пассивный транспорт обеспечивают также белки-каналы. Каналообразующие белки образуют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества. особые семейства каналообразующих белков (коннексины и паннексины) формируют щелевые контакты , через которые низкомолекулярные вещества могут транспортироваться из одной клетки в другую (через паннексины и в клетки из внешней среды).
Также для транспортировки веществ внутри клеток используются микротрубочки - структуры, состоящие из белков тубулинов . По их поверхности могут передвигаться митохондрии и мембранные пузырьки с грузом (везикулы). Этот транспорт осуществляют моторные белки. Они делятся на два типа: цитоплазматические динеины и кинезины. Эти две группы белков различаются тем, от какого конца микротрубочки они перемещают груз: динеины от + -конца к - -концу, а кинезины в обратном направлении.
Если животное имеет систему кровообращения, в крови имеется переносчик кислорода. В растворенном состоянии у человека в артериальной крови имеется только 2% кислорода.
Все пигменты – переносчики кислорода представляют собой металлорганические соединения, большинство содержит Fe, некоторые Cu.
Гемоглобины представляют собой железопорфирины (гем), связанные с глобином (белком). Гемоглобин у человека и млекопитающих всегда находится в специализированных клетках крови эритроцитах. Установлено более 90 типов гемоглобинов, отличающихся белковыми составляющими. Молекула гемоглобина состоит из нескольких мономеров, каждый из которых содержит один гем, соединенный с глобином. У человека гемоглобин содержит 4 таких мономера. Миоглобин содержит только 1 гем.
Гем в химическом отношении представляет собой протопорфирин, состоящий из 4 пиррольных колец с атомом железа в центре.
Оксигенация гемоглобина представляет собой обратимое присоединение кислорода к закисному (двухвалентному) железу в количествах, зависящих от напряжения кислорода в окружающем пространстве.
Кислород присоединяется к каждому из атомов железа согласно уравнению равновесия
Формально в этой реакции не происходит изменения валентности железа. Тем не менее оксигенация сопровождается частичным переходом электрона от закисного железа к кислороду, кислород частично восстанавливается.
Иное значение валентности может быть у гемового железа при образовании метгемоглобина, когда Fe изменяет валентность и становится трехвалентным. В этом случае, при истинном окислении железа, гемоглобин утрачивает способность переносить кислород.
Гем в молекуле гемоглобина способен присоединять другие молекулы. Если он присоединяет диоксид углерода, его называют карбогемоглобином. Если к гему присоединятся монооксид углерода, образуется карбоксигемоглобин. Сродство гемоглобина к CO в 300 раз выше, чем к О 2 . Поэтому отравление угарным газом очень опасно. Если во вдыхаемом воздухе содержится 1% СО, млекопитающие и птицы могут погибнуть.
Артериальная кровь насыщается кислородом на 96-97%. Этот процесс происходит очень быстро, всего за четверть секунды в альвеолярных капиллярах.
В литературе принято оценивать содержание кислорода в крови по показателю кислородная емкость крови .
Кислородная емкость крови – это максимальное количество кислорода, которое может присоединить 100 мл крови.
Поскольку 96% кислорода находится в соединении с гемоглобином, кислородная емкость крови определяется этим пигментом. Известно, что кислород-связывающая способность 1 г гемоглобина определяется величиной 1,34 – 1,36 мл О 2 , при нормальном атмосферном давлении. Это означает, что при содержании в крови 15 г% Нв (а это близко к средней), кислородная емкость составляет 1,34´15@20 объемных процентов, то есть на каждые 20 мл О 2 на каждые 100 мл крови, или 200 мл О 2 на литр крови. В 5 литрах крови (полная кислородная емкость индивидуума, у которого 5 л крови в системе кровообращения) содержится 1 литр кислорода.
Реакция оксигенации гемоглобина обратима
HHb 4 +4O 2 = HHb 4 (O 2) 4
Или проще Hb+О 2 = HbО 2
Оказалось, что на практике удобнее анализировать этот процесс, если построить график зависимости концентрации HbО 2 в образце от парциального давления/напряжения кислорода. Чем больше в среде кислорода, тем сильнее равновесие в реакции смещается в сторону оксигенации, и наоборот.
Каждому значению РО 2 соответствует определенный процент HbО 2 . При значениях РО 2 , характерных для артериальной крови, практически весь гемоглобин окислен. В периферических тканях, при низких значениях напряжения кислорода, увеличивается скорость диссоциации его диссоциации до кислорода и гемоглобина.
Кривая диссоциации гемоглобина имеется в каждом учебнике.
Анализ кривой диссоциации оксигемоглобина показывает, что при напряжении кислорода в среде 60-100 мм рт.ст. (условия равнины и подъема человека на высоту до 2 километров) насыщение кислородов крови происходит полностью. В тканях отдача кислорода также протекает удовлетворительно, при напряжениях кислорода около 20 мм рт.ст.
Другими словами, характер кривой дает сведения о свойствах транспортной системы.
Диссоциация оксигемоглобина зависит не только от парциального давления кислорода в тканях, но и от некоторых других условий. Когда в кровь поступает углекислота из тканей, сродство гемоглобина к кислороду падает и кривая диссоциации сдвигается вправо. Это прямой эффект Вериго-Бора. Эффект Вериго-Бора способствует улучшению диссоциации оксигемоглобина в тканях. Обратный эффект наблюдается в легких, где отдача диоксида углерода приводит к более полному насыщению гемоглобина кислородом. Эффект обусловлен не самим СО 2 , а подкислением среды при образовании угольной кислоты (или накоплением молочной кислоты в активно работающих мышцах).
Кислород транспортируется артериальной кровью в двух формах: связанный с гемоглобином внутри эритроцита и растворенный в плазме.
Эритроцит происходит из недифференцированной костномозговой ткани. При созревании клетка утрачивает ядро, рибосомы и митохондрии. Вследствие этого эритроцит не способен к выполнению таких функций, как клеточное деление, окислительное фосфорилирование и синтез белка. Источником энергии для эритроцита служит преимущественно глюкоза, метаболизируемая в цикле Эмбдена-Миергофа, или гексозомонофосфатном шунте. Наиболее важным внутриклеточным белком для обеспечения транспорта О2 и СО2 является гемоглобин, представляющий собой комплексное соединение железа и порфирина. С одной молекулой гемоглобина связываются максимально четыре молекулы О2. Гемоглобин, полностью загруженный О2, называется оксигемоглобином, а гемоглобин без О2 или присоединивший менее четырех молекул О2 - деоксигенированным гемоглобином.
Основной формой транспорта О2 является оксигемоглобин. Каждый грамм гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О2. Соответственно, кислородная емкость крови находится в прямой зависимости от содержания гемоглобина:
О2 емкость крови = ? 1,34 О2 /гHb/100 мл крови (3.21).
У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость крови составляет 201 мл О2 крови.
Кровь содержит незначительное количество кислорода, не связанного с гемоглобином, а растворенного в плазме. Согласно закону Генри, количество растворенного О2 пропорционально давлению О2 и коэффициенту его растворимости. Растворимость О2 в крови очень мала: только 0,0031 мл растворяется в 0,1 л крови на 1 мм рт. ст. Таким образом, при напряжении кислорода 100 мм рт. ст. в 100 мл крови содержится только 0,31 мл растворенного О2.
СаО2 = [(1,34)(SaО2)] + [(Pa)(0,0031)] (3.22).
Кривая диссоциации гемоглобина. Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного связывания молекул О2, что придает кривой диссоциации оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму (рис. 3.14).
Верхняя часть кривой (РаО2?60 мм рт.ст.) плоская. Это указывает на то, что SaО2 и, следовательно, СаО2, остаются относительно постоянными, несмотря на значительные колебания РаО2. Повышение СаО2 или транспорта О2 может быть достигнуто за счет увеличения содержания гемоглобина или растворения в плазме (гипербарическя оксигенация).
РаО2, при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50% (при 370 рН=7,4), известно как Р50. Эта общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р50 крови человека составляет 26,6 мм рт. ст. Однако оно может изменяться при различных метаболических и фармакологических условиях, воздействующих на процесс связывания кислорода гемоглобином. К ним относят следующие факторы: концентрацию ионов водорода, напряжение углекислого газа, температуру, концентрацию 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) и др.
Рис. 3.14. Сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина при изменениях рН, температуры тела и концентрации 2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ) в эритроцитах
Изменение сродства гемоглобина к кислороду, обусловленное колебаниями внутриклеточной концентрации водородных ионов, называется эффектом Бора. Снижение рН сдвигает кривую вправо, повышение рН - влево. Форма кривой диссоциации оксигемоглобина такова, что этот эффект более выражен в венозной крови, чем в артериальной. Данный феномен облегчает освобождение кислорода в тканях, практически не сказываясь на потреблении кислорода (в отсутствии тяжелой гипоксии).
Двуокись углерода оказывает двоякое действие на кривую диссоциации оксигемоглобина. С одной стороны, содержание СО2 влияет на внутриклеточный рН (эффект Бора). С другой, накопление СО2 вызывает образование карбаминовых соединений вследствие ее взаимодействия с аминогруппами гемоглобина. Эти карбаминовые соединения служат в качестве аллостерических эффекторов молекулы гемоглобина и непосредственно влияют на связывание О2. Низкий уровень карбаминовых соединений вызывает сдвиг кривой вправо и снижение сродства гемоглобина к О2, что сопровождается увеличение высвобождения О2 в тканях. По мере роста РаСО2 сопутствующее ему увеличение карбаминовых соединений сдвигает кривую влево, повышая связывание О2 гемоглобином.
Органические фосфаты, в частности 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ), образуются в эритроцитах в процессе гликолиза. Продукция 2,3- ДФГ увеличивается во время гипоксемии, что является важным механизмом адаптации. Ряд условий, вызывающих снижение О2 в периферических тканях, таких как анемия, острая кровопотеря, застойная сердечная недостаточность и т.д. характеризуются увеличением продукции органических фосфатов в эритроцитах. При этом уменьшается сродство гемоглобина к О2 и повышается его высвобождение в тканях. И наоборот, при некоторых патологических состояниях, таких как септический шок и гипофосфатемия, наблюдается низкий уровень 2,3-ДФГ, что приводит к сдвигу кривой диссоциации оксигемоглобина влево.
Температура тела влияет на кривую диссоциации оксигемоглобина менее выражено и клинически значимо, чем описанные выше факторы. Гипертермия вызывает повышение Р50, т.е. сдвиг кривой вправо, что является благоприятной приспособительной реакцией не повышенный кислородный запрос клеток при лихорадочных состояниях. Гипотермия, напротив, снижает Р50, т.е. сдвигает кривую диссоциации влево.
СО, связываясь с гемоглобином (образуя карбоксигемоглобин), ухудшает оксигенацию периферических тканей посредством двух механизмов. Во-первых, СО непосредственно уменьшает кислородную емкость крови. Во-вторых, снижая количество гемоглобина, доступного для связывания О2; СО снижает Р50 и сдвигает кривую диссоциации оксигемоглобина влево.
Окисление части двухвалентного железа гемоглобина до трехвалентного приводит к образованию метгемоглобина. В норме у здоровых людей метгемоглобин составляет менее 3% общего гемоглобина. Низкий его уровень поддерживается внутриклеточными ферментными механизмами восстановления. Метгемоглобинемия может наблюдаться как следствие врожденной недостаточности этих восстановительных ферментов или образования аномальных молекул гемоглобина, резистентных к ферментативному восстановлению (например, гемоглобин М).
Доставка кислорода (DО2) представляет собой скорость транспорта кислорода артериальной кровью, которая зависит от кровотока и содержания О2 в артериальной крови. Системная доставка кислорода (DО2), рассчитывается как:
DO2 = СаО2 х Qt (мл/мин) или
DO2 = ([(Hb) ?1,34? % насыщения] + составит 25 %, т. е. 5 мл/20 мл. Таким образом, в норме организм потребляет только 25 % кислорода, переносимого гемоглобином. Когда потребность в О2 превосходит возможность его доставки, то коэффициент экстракции становится выше 25 %. Наоборот, если доставка О2 превышает потребность, то коэффициент экстракции падает ниже 25 %.
Если доставка кислорода снижена умеренно, потребление кислорода не изменяется благодаря увеличению экстракции О2 (насыщение гемоглобина кислородом в смешанной венозной крови снижается). В этом случае VO2 не зависит от доставки. По мере дальнейшего снижения DO2 достигается критическая точка, в которой VO2 становится прямо пропорциональна DO2. Состояние, при котором потребление кислорода зависит от доставки, характеризуется прогрессирующим лактат-ацидозом, обусловленным клеточной гипоксией. Критический уровень DO2 наблюдается в различных клинических ситуациях. Например, его значение 300 мл/(мин*м2) отмечено после операций в условиях искусственного кровообращения и у больных с острой дыхательной недостаточностью.
Напряжение углекислого газа в смешанной венозной крови (PvCO2) в норме составляет примерно 46 мм рт. ст., что является конечным результатом смешивания крови, притекающей из тканей с различными уровнями метаболической активности. Венозное напряжение углекислого газа в венозной крови меньше в тканях с низкой метаболической активностью (например, в коже) и больше в органах с высокой метаболической активностью (например, в сердце).
Двуокись углерода легко диффундирует. Ее способность к диффузии в 20 раз превышает таковую у кислорода. СО2, по мере образования в процессе клеточного метаболизма, диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех основных формах: в виде растворенной СО2, в виде аниона бикарбоната и в виде карбаминовых соединений.
СО2 очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворенной фракции определяется произведением парциального давления СО2 и коэффициента растворимости (? =0,3 мл/л крови /мм рт. ст.). Около 5% общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа.
Анион бикарбоната является преобладающей формой СО2 (около 90%) в артериальной крови. Бикарбонатный анион является продуктом реакции СО2 с водой с образованием Н2СО3 и ее диссоциации:
СО2 + Н2О?Н2СО3?Н+ + НСО3- (3.25).
Реакция между СО2 и Н2О протекает медленно в плазме и очень быстро в эритроцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбонгидраза. Она облегчает реакцию между СО2 и Н2О с образованием Н2СО3. Вторая фаза уравнения протекает быстро без катализатора.
По мере накопления НСО3- внутри эритроцита анион диффундирует через клеточную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита относительно непроницаема для Н+, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода остаются внутри клетки. Электрическая нейтральность клетки в процессе диффузии СО2 в плазму обеспечивает приток ионов хлора из плазмы в эритроцит, что формирует так называемый хлоридный сдвиг (сдвига Гамбургера). Часть Н+, остающихся в эритроцитах, забуферируется, соединясь с гемоглобином. В периферических тканях, где концентрация СО2 высока и значительные количества Н+ накапливаются эритроцитами, связывание Н+ облегчается деоксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше связывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деоксигенация артериальной крови в периферических тканях способствует связыванию Н+ посредством образования восстановленного гемоглобина.
СО2 + Н2О + HbО2 > HbH+ + HCO3+ О2 (3.26).
Это увеличение связывания СО2 с гемоглобином известно как эффект Холдейна. В легких процесс имеет противоположное направление. Оксигенация гемоглобина усиливает его кислотные свойства, и высвобождение ионов водорода смещает равновесие преимущественно в сторону образования СО2:
О2 + НСО3- + HbН+ > СО2 + Н2О + HbО2
(у одноклеточных организмов), так и между различными клетками многоклеточного организма. Транспортные белки могут быть как интегрированными в мембрану, так и водорастворимыми белками, секретируемыми из клетки, находящимися в пери- или цитоплазматическом пространстве, в ядре или органеллах эукариот.
Основные группы транспортных белков:
- хелатирующие белки;
- белки-транспортёры.
Транспортная функция белков
Транспортная функция белков - участие белков в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.
Есть разные виды транспорта, которые осуществляются при помощи белков.
Перенос веществ через клеточную мембрану
Пассивный транспорт обеспечивают также белки-каналы. Каналообразующие белки образуют в мембране водные поры, через которые (когда они открыты) могут проходить вещества. особые семейства каналообразующих белков (коннексины и паннексины) формируют щелевые контакты , через которые низкомолекулярные вещества могут транспортироваться из одной клетки в другую (через паннексины и в клетки из внешней среды).
Также для транспортировки веществ внутри клеток используются микротрубочки - структуры, состоящие из белков тубулинов . По их поверхности могут передвигаться митохондрии и мембранные пузырьки с грузом (везикулы). Этот транспорт осуществляют моторные белки. Они делятся на два типа: цитоплазматические динеины и кинезины. Эти две группы белков различаются тем, от какого конца микротрубочки они перемещают груз: динеины от + -конца к - -концу, а кинезины в обратном направлении.
Перенос веществ по организму
Транспорт веществ по организму в основном осуществляется кровью . Кровь переносит гормоны , пептиды , ионы от эндокринных желез к другим органам, переносит конечные продукты метаболизма к органам выделения, переносит питательные вещества и ферменты , кислород и углекислый газ.
Наиболее известный транспортный белок, осуществляющий транспорт веществ по организму - это гемоглобин . Он переносит кислород и диоксид углерода по кровеносной системе от лёгких к органам и тканям. У человека около 15 % углекислого газа транспортируется к лёгким с помощью гемоглобина. В скелетных и сердечной мышцах перенос кислорода выполняется белком, который называется
