Введение

Эффект Бора — это феномен, впервые описанный в 1904 году датским физиологом Кристианом Бором. Аффинность гемоглобина к кислороду (см. кривую диссоциации кислорода и гемоглобина) обратно пропорциональна как кислотности, так и концентрации углекислого газа. Иными словами, эффект Бора относится к смещению кривой диссоциации кислорода, вызванному изменениями концентрации углекислого газа или pH окружающей среды. Поскольку углекислый газ реагирует с водой с образованием угольной кислоты, увеличение концентрации CO2 приводит к снижению pH крови. Он посвятил последние два десятилетия изучению растворимости кислорода, углекислого газа и других газов в различных жидкостях, но после обширных экспериментов копенгагенская группа установила, что кривая на самом деле имеет сигмоидальную форму. Более того, в процессе построения многочисленных кривых диссоциации вскоре стало очевидно, что высокое парциальное давление углекислого газа вызывает смещение кривых вправо. Последующие эксперименты с варьированием концентрации CO2 быстро предоставили убедительные доказательства, подтверждающие существование того, что вскоре стало известно как эффект Бора. Хотя это никогда не было доказано, Вериго действительно опубликовал статью об отношении гемоглобина к CO2 в 1892 году. Его предложенная модель была несостоятельной, и Бор подверг ее резкой критике в своих публикациях, на протяжении всей жизни утверждая, что именно он первым продемонстрировал этот эффект. Несмотря на некоторые подтверждающие это свидетельства, ретроспективное изменение названия хорошо известного феномена было бы крайне непрактичным, поэтому он остался известен как эффект Бора. Это вызывает снижение pH крови, что способствует диссоциации кислорода от гемоглобина и позволяет окружающим тканям получать достаточно кислорода для удовлетворения своих потребностей. В областях с высокой концентрацией кислорода, таких как легкие, связывание кислорода заставляет гемоглобин высвобождать протоны, которые рекомбинируют с бикарбонатом для выведения углекислого газа при выдохе. Эти противоположные реакции протонации и депротонации происходят в равновесии, что приводит к незначительному общему изменению pH крови. Эффект Бора позволяет организму адаптироваться к изменяющимся условиям и обеспечивает дополнительную доставку кислорода к тканям, которые в нем больше всего нуждаются. Например, когда мышцы подвергаются интенсивной нагрузке, им требуется большое количество кислорода для осуществления клеточного дыхания, которое генерирует CO2 (и, следовательно, HCO3− и H+) в качестве побочных продуктов. Эти продукты жизнедеятельности снижают pH крови, что увеличивает доставку кислорода к активным мышцам. Углекислый газ — не единственная молекула, способная вызывать эффект Бора. Если мышечные клетки не получают достаточно кислорода для клеточного дыхания, они прибегают к брожению молочной кислоты, которое высвобождает молочную кислоту в качестве побочного продукта. Это повышает кислотность крови в большей степени, чем только CO2, что отражает еще большую потребность клеток в кислороде. Фактически, в анаэробных условиях мышцы генерируют молочную кислоту настолько быстро, что pH крови, проходящей через мышцы, может снизиться до примерно 7,2, что заставляет гемоглобин начинать высвобождать примерно на 10% больше кислорода. Гемоглобин существует в двух конформациях: R-состояние с высокой аффинностью и T-состояние с низкой аффинностью. Когда концентрация кислорода высока, как в легких, предпочтительнее R-состояние, что позволяет максимальному количеству кислорода связываться с гемами. В капиллярах, где концентрация кислорода ниже, предпочтительнее T-состояние, чтобы облегчить доставку кислорода к тканям. Эффект Бора зависит от этой аллостерии, поскольку увеличение концентрации CO2 и H+ помогает стабилизировать T-состояние и обеспечивает большую доставку кислорода к мышцам в периоды повышенного клеточного дыхания. Это подтверждается тем фактом, что миоглобин, мономер без аллостерии, не проявляет эффект Бора.

Стабилизация Т-состояния

Когда гемоглобин находится в T-состоянии, N-терминальные аминогруппы α-субъединиц и C-терминальный гистидин β-субъединиц протонируются, приобретая положительный заряд и позволяя этим остаткам участвовать в ионных взаимодействиях с карбоксильными группами соседних остатков. Эти взаимодействия способствуют поддержанию гемоглобина в T-состоянии. Снижение pH (повышение кислотности) еще больше стабилизирует это состояние, поскольку уменьшение pH увеличивает вероятность протонирования этих остатков, усиливая ионные взаимодействия. В R-состоянии ионные связи отсутствуют, что означает, что стабильность R-состояния возрастает при повышении pH, поскольку эти остатки реже остаются протонированными в более щелочной среде. Эффект Бора действует, одновременно дестабилизируя R-состояние с высокой аффинностью и стабилизируя T-состояние с низкой аффинностью, что приводит к общему снижению аффинности к кислороду. Исходя из размеров и веса, предполагалось, что у многих морских млекопитающих эффект Бора очень слабый, почти пренебрежимо малый. Считается, что этот чрезвычайно сильный эффект Бора является одной из многих адаптаций морских млекопитающих к глубоким и продолжительным погружениям, поскольку он позволяет практически всему связанному с гемоглобином кислороду диссоциировать и снабжать тело кита во время нахождения под водой. Это означает, что он маловероятно будет диссоциировать, и после связывания блокирует присоединение O2 к этой субъединице. В то же время, CO структурно достаточно похож на O2, чтобы карбоксигемоглобин отдавал предпочтение R-состоянию, повышая аффинность к кислороду оставшихся свободных субъединиц. Эта комбинация значительно снижает доставку кислорода к тканям организма, что и делает угарный газ таким токсичным. Эта токсичность немного уменьшается за счет увеличения силы эффекта Бора в присутствии карбоксигемоглобина. Это увеличение в конечном итоге связано с различиями во взаимодействиях между гемовыми группами в карбоксигемоглобине по сравнению с оксигенированным гемоглобином. Это наиболее заметно при крайне низкой концентрации кислорода, как последняя попытка, когда потребность в доставке кислорода становится критической. Однако физиологические последствия этого явления остаются неясными.