Қандағы оттекті тасымалдау және бөлу қисығы

Кіріспе

Адамның қаны қалай оттегіні тасымалдайтынын және қалай босататынын түсінуге арналған визуалды құрал. Оттегі-гемоглобин ажырату қисығы, сондай-ақ оксигемоглобин ажырату қисығы немесе оттегі ажырату қисығы (ОАК) деп аталады, ол гемоглобиннің қаныққан (оттегімен толы) түріндегі үлесін тік осқа, ал көлденең осқа басым оттегі қысымын көрсетеді. Бұл қисық қанның оттегіні қалай тасымалдайтынын және босататынын түсіну үшін маңызды құрал. Атап айтқанда, оксигемоглобин ажырату қисығы қандағы оттегінің қанығуы (SO2) мен оттегінің ішінара қысымына (PO2) байланысты, және "гемоглобиннің оттегіге қосылу қабілеті" деп аталатын нәрсемен анықталады; яғни, гемоглобин қандағы оттегі молекулаларын қаншалықты оңай сіңіріп, босатады.

Өмірбаян

Гемоглобин (Hb) – қандағы оттегіні тасымалдаудың негізгі құралы. Гемоглобиннің әрбір молекуласы төрт оттегі молекуласын тасымалдауға қабілетті. Бұл оттегі молекулалары гема протез тобының теміріне байланады. Гемоглобинде байланған оттегі де, байланған көмірқышқыл газы да болмаған кезде, ол бос конформацияда (пішінде) болады. Бірінші оттегі молекуласының байланысы гемоглобиннің пішінін өзгертеді, бұл оның қалған үш оттегі молекуласына байланысу қабілетін арттырады. Ерітілген көмірқышқыл газының болуы қанның pH-ын өзгертеді, бұл гемоглобин пішінінде тағы бір өзгеріске алып келеді, оның нәтижесінде көмірқышқыл газымен байланысу қабілеті артады, ал оттегімен байланысу қабілеті төмендейді. Бірінші оттегі молекуласының жоғалтуымен және бірінші көмірқышқыл газы молекуласының байланысуымен пішінде тағы бір өзгеріс пайда болады, ол оттегімен байланысу қабілетін одан әрі төмендетеді және көмірқышқыл газымен байланысу қабілетін арттырады. Гемоглобинге байланған оттегі қан плазмасына бөлінеді және тіндерге сіңіріледі, ал тіндердегі көмірқышқыл газы гемоглобинге байланады. Өкпеде бұл процесс кері бағытта жүреді. Бірінші көмірқышқыл газы молекуласы жоғалғанда пішін қайтадан өзгереді және қалған үш көмірқышқыл газының шығарылуын жеңілдетеді. Оттегі қан плазмасында да еріген күйінде тасымалданады, бірақ оның мөлшері әлдеқайда аз. Гемоглобин қызыл қан клеткаларында орналасқан. Гемоглобин көмірқышқыл газы болған кезде (мысалы, тіндерде) байланған оттегін босатады. Капиллярларда көмірқышқыл газы түзіледі, гемоглобинге байланған оттегі қан плазмасына өтеді және тіндерге сіңіріледі. Кез келген уақытта гемоглобиннің қаншалықты сыйымдылығы оттегімен толтырылғаны оттегімен қанығу деп аталады. Пайыздық көрсеткіш ретінде, оттегімен қанығу – гемоглобинге байланған оттегі мөлшерінің гемоглобиннің оттегі тасымалдау сыйымдылығына қатынасы. Гемоглобиннің оттегі тасымалдау сыйымдылығы қандағы гемоглобин түріне байланысты анықталады. Гемоглобинге кез келген уақытта байланған оттегі мөлшері, көбінесе, гемоглобинге әсер ететін оттегінің парциалдық қысымына байланысты. Өкпеде, альвеола-капилляр интерфейсінде оттегінің парциалдық қысымы әдетте жоғары болады, сондықтан оттегі гемоглобинге оңай байланады. Қан басқа дене тіндеріне айналғанда, онда оттегінің парциалдық қысымы төмендейді, гемоглобин оттегін тіндерге босатады, себебі гемоглобин төменгі оттегі қысымында толық сыйымдылығын сақтай алмайды.

Hemoglobin (Hb) is the primary vehicle for transporting oxygen in the blood. Each hemoglobin molecule has the capacity to carry four oxygen molecules. These molecules of oxygen bind to the iron of the heme prosthetic group. When hemoglobin has no bound oxygen, nor bound carbon dioxide, it has the unbound conformation (shape). The binding of the first oxygen molecule induces change in the shape of the hemoglobin that increases its ability to bind to the other three oxygen molecules. In the presence of dissolved carbon dioxide, the pH of the blood changes; this causes another change in the shape of hemoglobin, which increases its ability to bind carbon dioxide and decreases its ability to bind oxygen. With the loss of the first oxygen molecule, and the binding of the first carbon dioxide molecule, yet another change in shape occurs, which further decreases the ability to bind oxygen, and increases the ability to bind carbon dioxide. The oxygen bound to the hemoglobin is released into the blood's plasma and absorbed into the tissues, and the carbon dioxide in the tissues is bound to the hemoglobin. In the lungs the reverse of this process takes place. With the loss of the first carbon dioxide molecule the shape again changes and makes it easier to release the other three carbon dioxides. Oxygen is also carried dissolved in the blood's plasma, but to a much lesser degree. Hemoglobin is contained in red blood cells. Hemoglobin releases the bound oxygen when carbonic acid is present, as it is in the tissues. In the capillaries, where carbon dioxide is produced, oxygen bound to the hemoglobin is released into the blood's plasma and absorbed into the tissues. How much of that capacity is filled by oxygen at any time is called the oxygen saturation. Expressed as a percentage, the oxygen saturation is the ratio of the amount of oxygen bound to the hemoglobin, to the oxygen carrying capacity of the hemoglobin. The oxygen carrying capacity of hemoglobin is determined by the type of hemoglobin present in the blood. The amount of oxygen bound to the hemoglobin at any time is related, in large part, to the partial pressure of oxygen to which the hemoglobin is exposed. In the lungs, at the alveolar–capillary interface, the partial pressure of oxygen is typically high, and therefore the oxygen binds readily to hemoglobin that is present. As the blood circulates to other body tissue in which the partial pressure of oxygen is less, the hemoglobin releases the oxygen into the tissue because the hemoglobin cannot maintain its full bound capacity of oxygen in the presence of lower oxygen partial pressures.

рН

pH-тың төмендеуі (иондық концентрацияның артуы) стандарттық қисықты оңға қарай, ал pH-тың жоғарылауы солға қарай жылдырады. Бұл жоғары иондық концентрацияда гистидин 146 сияқты әртүрлі аминқышқыл қалдықтарының басым бөлігі протонталған түрінде болады, бұл оларға дезоксигемоглобиннің T күйінде тұрақталған иондық жұптарды құруға мүмкіндік береді. T күйінің R күйіне қарағанда оттегіге деген байланысу қабілеті төмен болғандықтан, қышқылдықтың артуы гемоглобиннің белгілі бір PO2 үшін аз O2-ге байланысуына (және көбірек H+ байланысуына) әкеледі. Бұл Бор эффектісі деп аталады. Бұл эффект сүйекті балықтарда байқалады. Гемоглобиннің O2-ге байланысу қабілеті салыстырмалы түрде жоғары pH-та ең жоғары болады.

Көмірқышқыл газы

Көмірқышқыл газы қисыққа екі түрлі әсер етеді. Біріншіден, CO2 жинақталуы химиялық өзара әрекеттесулер нәтижесінде карбамино қосылыстарын түзетіп, олар гемоглобинмен байланысып карбаминогемоглобин құрайды. CO2 гемоглобиннің байланысу орнында болмайтын тежелімдеуге байланысты аллостериялық реттеуші болып саналады. Екіншіден, ол бикарбонат ионының түзілуі арқасында жасуша ішіндегі pH деңгейіне әсер етеді. Карбаминогемоглобиннің түзілуі иондық жұптар арқылы Т-күйіндегі гемоглобиннің тұрақтануына көмектеседі.

2,3-БГК

2,3 бисфосфоглицерат немесе 2,3 BPG (бұрын 2,3 дифосфоглицерат немесе 2,3 DPG деп аталатын) – қызыл қан клеткаларында гликолиз процесінде пайда болатын органофосфат, және 2,3 бисфосфоглицерин қышқылының конъюгациялық негізі. 2,3 BPG-нің өндірілуі маңызды бейімделу механизмі болуы мүмкін, себебі перифериялық тіндерге оттектің жетіспеуіне байланысты гипоксия, созылмалы өкпе аурулары, анемия және жүрек жеткіліксіздігі сияқты жағдайларда оның өндірілуі артады, бұл перифериялық тіндерде оттектің оңай бөлінуін қажет етеді. 2,3 BPG деңгейі жоғары болғанда қисық оңға қарай жылжиды (мысалы, бала кезінде), ал 2,3 BPG деңгейі төмен болғанда септикалық шок және гипофосфатемия сияқты жағдайларда көрінетін солға қарай жылжу пайда болады.

Көміртек тотығы

Гемоглобин көміртек тотығымен оттегіге қарағанда 210 есе жылдам байланысады. Көміртек тотығының деңгейі артқанда, адам қалыпты pO2 сақталған күйінде ауыр тіндік гипоксияға ұшырауы мүмкін, себебі карбоксигемоглобин тіндерге оттегі тасымайды.

Метемоглобинемияның әсері

Метемоглобинемия – гемоглобиннің қалыптан тыс түрі, ондағы темір орталығы әдеттегі +2 тотығу күйінен (құрамында оттегі бар кезде +3 күйіне өтетін) +3 тотығу күйіне тотыққан. Бұл гемоглобиннің оттегімен диссоциация қисығын солға қарай жылжытады, себебі оттегімен байланысқан +2 тотығу күйіндегі темір бар қалдық гема өз оттегін тіндерге жіберуге шамасы келмейді (өйткені +3 темір гемоглобиннің кооперативтілігін төмендетеді), соның салдарынан оттегімен байланысу қабілеті артады. Дегенмен, метгемоглобиннің цианидке деген байланысу қабілеті жоғары, сондықтан цианидпен улануды емдеуде қолданылады. Кездейсоқ жұтылған жағдайда, нитрит (мысалы, амил нитриті) беру арқылы гемоглобин тотықтырылып, метгемоглобин деңгейі көтерілуіне, цитохром оксидазаның жұмысы қалпына келуіне мүмкіндік береді. Нитрит сонымен қатар тамыр кеңейткіш ретінде әрекет етеді, жасушаларға оттегі жеткізілуін жақсартады, ал темір тұзының қосылуы бос цианидтің биохимиялық тұрақты гексацианоферрат(III) ионы [Fe(CN)6]3− ретінде бәсекелестік байланысын қамтамасыз етеді. Басқа бір тәсіл – тиосульфат енгізу, осылайша цианид бүйректер арқылы шығарылатын тиоцианатқа (SCN−) айналады. Метемоглобин оксигемоглобиннің диссоциациялануы нәтижесінде де аз мөлшерде пайда болады, мұнда метемоглобин мен супероксид (O2−) қалыпты өнімдердің орнына түзіледі. Супероксид – еркін радикал және биохимиялық зақымдануға себеп болады, бірақ супероксид дисмутаза ферментінің әсерімен залалсыздандырылады.

ITPP-нің әсері

Миоинозитол триспирофосфаты (МИТП), сонымен қатар OXY111A деп те аталады, – қызыл қан клеткалары ішіндегі гемоглобиннің аллостерикалық модуляциясы арқылы оттегі-гемоглобин диссоциация қисығын оңға қарай жылдыратын инозитол фосфаты. Бұл – тіндік гипоксияны азайтуға бағытталған тәжірибелік препарат. Әсері қан айналымында сақталатын қызыл қан клеткаларының өміріне шамамен сәйкес келеді.

Ұрық гемоглобині

Ұрықтық гемоглобин (HbF) ересек гемоглобиннен (HbA) құрылымдық тұрғыдан өзгеше, бұл HbF-қа HbA-ға қарағанда оттегіге жоғары жақындығын береді. HbF екі альфа және екі гамма тізбегінен, ал HbA екі альфа және екі бета тізбегінен тұрады. Осы құрылымдық айырмашылықтарға байланысты ұрықтық диссоциация қисығы ересектердің қисығына қарағанда солға қарай ығысады:

Ересек гемоглобинінде 2,3-бисфосфоглицераттың (2,3 BPG) байланысуы негізінен бета тізбектерімен жүзеге асады, бұл гемоглобинмен оттегінің байланысуын шектейді. Бұл байланыс гемоглобиннің деоксигенделген күйін тұрақтандыру және организм тіндеріне оттегінің тиімді бөлінуін қамтамасыз ету үшін маңызды. Ұрықтық гемоглобинде, бета тізбегінің орнына гамма тізбегі болғандықтан, 2,3 BPG-мен өзара әрекеттесу өзгеше, себебі 2,3 BPG гамма тізбегімен байланыспайды, себебі гамма тізбегіне деген жақындығы төмен немесе жоқ. Бұл айырмашылық ұрықтық гемоглобиннің оттегіге жоғары жақындығына себеп болады. Әдетте, ұрықтың артериялық оттегі қысымы ересектердің артериялық оттегі қысымынан төмен болады. Сондықтан, плацента арқылы оттегінің таралуын қамтамасыз ету үшін ұрықтағы жартылай қысымның төмен деңгейінде оттегіні байланыстыру үшін жоғары жақындық қажет. Плацентада 2,3 BPG концентрациясы жоғары болады және 2,3 BPG альфа тізбектеріне қарағанда бета тізбектеріне оңайырақ байланысады. Нәтижесінде, 2,3 BPG ересек гемоглобиніне күштірек байланысады, бұл HbA-ны ұрыққа оттегіні көбірек бөліп беруге мәжбүр етеді, ал ұрықтың HbF-і 2,3 BPG-нің әсеріне ұшырамайды. HbF содан кейін байланысты оттегіні тіпті төмен жартылай қысымды тіндерге жеткізеді, онда ол босатылады.