Карбоксигемоглобин: структура, образование и влияние на организм.

Введение

Комплекс окиси углерода и гемоглобина

Карбоксигемоглобин (карбоксигемоглобин BrE) (символ COHb или HbCO) — это стабильный комплекс окиси углерода и гемоглобина (Hb), который образуется в эритроцитах при контакте с окисью углерода. Карбоксигемоглобин часто путают с соединением, образующимся при взаимодействии углекислого газа (карбоксила) и гемоглобина, которое на самом деле является карбаминогемоглобином. Терминология "карбоксигемоглобин" возникла, когда окись углерода была известна под историческим названием "углекислый газ", и развивалась под влиянием германской и британской английской этимологии; предпочтительная номенклатура IUPAC — карбонилгемоглобин. У некурящего человека уровень карбоксигемоглобина в крови обычно не превышает 3% COHb, в то время как у курильщиков он может достигать 10%. FDA ранее установило пороговое значение в 14% COHb в некоторых клинических исследованиях, оценивающих терапевтический потенциал окиси углерода.

Обзор

В среднем в одной красной кровяной клетке содержится 250 миллионов молекул гемоглобина. Гемоглобин содержит белковый глобиновый компонент с четырьмя протезными гемогруппами (отсюда и название гемоглобин); каждая гемогруппа способна обратимо связываться с одной газообразной молекулой (кислородом, угарным газом, цианидом и т. д.), поэтому типичная красная кровяная клетка может переносить до одного миллиарда газовых молекул. Поскольку связывание угарного газа с гемоглобином обратимо, некоторые модели оценивают, что 20% угарного газа, переносимого в виде карбоксигемоглобина, может диссоциировать в отдаленных тканях. У человека мутация Hb Kirklareli имеет относительное сродство к угарному газу в 80 000 раз больше, чем к кислороду, что приводит к устойчивому уровню карбоксигемоглобина в системном кровотоке, достигающему 16% COHb. Структурные вариации и мутации в других гемопротеинах также влияют на взаимодействие угарного газа с гемопротезной группой, как это демонстрирует цитохром P450, где определенные формы семейства CYP3A относительно менее чувствительны к ингибирующему действию угарного газа. Аналогично, повышенный уровень угарного газа у курильщиков предположительно является основой для парадокса курильщика. Этимология слова «кислород» общепринято восходит к значению «кислота», основанному на системе Лавуазье, которая также признавала углерод неметаллическим элементом, способным к окислению, хотя первоначальные степени окисления определялись по алмазу, графиту, углю и угольной кислоте как наиболее окисленным формам.

Угарный газ был открыт в результате серии экспериментов, начавшихся с кокса (сокращение от угольного жженого остатка). Поскольку угольная кислота считалась наиболее окисленной формой в системе Лавуазье, название «угарный газ» подразумевало промежуточный окисленный вид между углем и угольной кислотой (то есть использование слова «кислота» указывало на максимальную степень окисления). Haem происходит от греческого слова, означающего кровь, а globin – от латинского globus, обычно понимаемого как глобус/сферический/круглый объект; эти термины соединены буквой «o». Что касается haem, написание «ae / æ» по-прежнему распространено в британском английском языке, в то время как в американском английском написание эволюционировало до heme от hema. В немецком языке умлаут, такой как ä, является синонимом написания «ae», поэтому гемоглобин обычно пишется как haemoglobin в немецкой литературе, следовательно, haemoglobin – термин, принятый в английской литературе. Хоппе-Зейлер также ввел название Kohlenoxydhämoglobin, которое, возможно, также было непосредственно переведено на английский как «угарный газ гемоглобин». Термин «карбоксигемоглобин» впервые появился в 1895 году в работах Джона Холдейна, в то время как название CO все еще широко рассматривалось как угарный газ. Термин «угарный газ» был официально введен в 1879 году, но название не стало общеупотребительным в течение нескольких десятилетий. Большинство методов требуют лабораторного оборудования, квалифицированных специалистов или дорогостоящей электроники, поэтому разработка быстрых и экономичных технологий обнаружения продолжается. Анализ выдыхаемого воздуха на угарный газ – еще один метод обнаружения, который может коррелировать с уровнем карбоксигемоглобина.

Отравление углекислым газом

Отравление угарным газом, также известное как карбоксигемоглобинемия, преследует человечество с тех пор, как первобытные предки впервые научились использовать огонь. В наше время данные о карбоксигемоглобине помогают врачам в диагностике отравления. Однако уровни карбоксигемоглобина не всегда коррелируют с симптомами отравления угарным газом. В общем, 30% COHb считается тяжелым отравлением угарным газом. Выдыхание углекислого газа, конечного продукта клеточного метаболизма, пожалуй, является более важным аспектом дыхания. В то время как организм может переносить кратковременные периоды гипоксии (как это обычно происходит при анаэробной нагрузке, хотя мозг, сердце, печень и почки значительно менее устойчивы к ней, чем скелетные мышцы), неспособность выводить углекислый газ может привести к респираторному ацидозу (то есть жидкости организма и кровь становятся слишком кислыми, что нарушает гомеостаз). При недостатке кислорода клетки переходят на анаэробный гликолиз, который при длительном течении может значительно увеличить концентрацию молочной кислоты, вызывая метаболический ацидоз. Чтобы упрощенно описать молекулярный механизм системного газообмена, долгое время считалось, что связывание кислорода с любым из гемовых центров вызывает конформационное изменение белковой части гемоглобина, которое затем облегчает связывание дополнительного кислорода с каждым из остальных гемовых центров. По прибытии в ткани кислород высвобождается из-за изменения конформации гемоглобина, вызванного ионизацией поверхности гемоглобина вследствие "закисления" местного pH ткани (то есть относительно более высокой концентрации "кислых" протонов / ионов водорода, обозначаемых как H+; кислый pH обычно определяется как низкий pH, исходя из кислотности pH 1-7 с низким значением, или как высокий pH из-за высокой концентрации ионов H+, когда шкала приближается к pH 1); местное закисление вызвано увеличением биотрансформации углекислого газа в угольную кислоту посредством карбоангидразы. Другими словами, оксигенированная артериальная кровь поступает к клеткам в "R-состоянии" гемоглобина, которое характеризуется депротонированными/неионизированными аминокислотными остатками (в отношении аминов гемоглобина, переходящих из депротонированного/неионизированного состояния Hb NH2 в протонированное/ионизированное состояние Hb NH3+), что обусловлено менее кислой средой (средний pH артериальной крови составляет 7,407, в то время как венозная кровь немного более кислая – pH 7,371). "T-состояние" гемоглобина в венозной крови дезоксигенировано частично из-за протонирования/ионизации, вызванной кислой средой, что приводит к конформации, неблагоприятной для связывания кислорода (то есть кислород "вытесняется" по прибытии в клетку из-за ионов H+, воздействующих на остатки поверхности гемоглобина и превращающих Hb из "R-состояния" в "T-состояние"). Кроме того, механизм образования карбаминогемоглобина генерирует дополнительные ионы H+, которые могут дополнительно стабилизировать протонированный/ионизированный дезоксигенированный гемоглобин. При возврате венозной крови в легкие и последующем выдыхании углекислого газа кровь "дезакисляется" (см. также: гипервентиляция) для депротонирования/неионизации гемоглобина и восстановления его способности связывать кислород в процессе перехода к артериальной крови (стоит отметить, что этот процесс сложен из-за участия хеморецепторов, pH-буферов и других физико-химических функций). Отравление угарным газом нарушает этот физиологический процесс, поэтому венозная кровь отравленных пациентов ярко-красная, как и артериальная кровь, поскольку карбонил/угарный газ удерживается, в то время как дезоксигенированный гемоглобин темно-красный, а карбаминогемоглобин имеет синеватый оттенок. Следовательно, у пациента, страдающего отравлением угарным газом, может развиться тяжелая гипоксия и ацидоз, а также токсическое воздействие избытка угарного газа, связывающегося с многочисленными гемопротеинами, металлическими и неметаллическими мишенями, что влияет на клеточные механизмы (например, ингибирование цитохром-с-оксидазы).

Carbon monoxide poisoning, also known as carboxyhemoglobinemia, has plagued humankind since primitive ancestors first harnessed fire. In modern times, carboxyhemoglobin data assist physicians in making a poisoning diagnosis. However, carboxyhemoglobin levels do not necessarily correlate with the symptoms of carbon monoxide poisoning. In general, 30% COHb is considered severe carbon monoxide poisoning. exhaling the cellular waste product carbon dioxide is arguably the more critical aspect of respiration. Whereas the body can tolerate brief periods of hypoxia (as commonly occurs in anaerobic exercise, although the brain, heart, liver and kidney are significantly less tolerant than skeletal muscle), failure to expel carbon dioxide may cause respiratory acidosis (meaning bodily fluids and blood become too acidic thereby affecting homeostasis). In absence of oxygen, cells switch to anaerobic respiration which if prolonged may significantly increase lactic acid leading to metabolic acidosis. To provide a simplified synopsis of the molecular mechanism of systemic gas exchange, upon inhalation of air it was widely thought oxygen binding to any of the heme sites triggers a conformational change in the protein unit of hemoglobin which then enables the binding of additional oxygen to each of the other heme sites. Upon arrival to the cellular region, oxygen is released at the tissue due to a conformational change in hemoglobin as caused by ionization of hemoglobin's surface due to the "acidification" of the tissue's local pH (meaning a relatively higher concentration of 'acidic' protons / hydrogen ions annotated as H+; an acidic pH is commonly referenced to as either low pH based on the acidity of pH 1 7 having a low number, or, referred to as a high pH due to the high concentration of H+ ions as the scale approaches pH 1); the local acidity is caused by an increase in the biotransformation of carbon dioxide waste into carbonic acid via carbonic anhydrase. In other words, oxygenated arterial blood arrives to cells in the "hemoglobin R state" which has deprotonated/unionized amino acid residues (regarding hemoglobin's amines transitioning between the deprotonated/unionized Hb NH2 to the protonated/ionized Hb NH3+ state) based on the less acidic pH (arterial blood averages pH 7.407 whereas venous blood is slightly more acidic at pH 7.371). The "T state" of hemoglobin is deoxygenated in venous blood partially due to protonation/ionization as caused by the acidic environment hence causing a conformation unsuited for oxygen binding (i. e. oxygen is 'ejected' upon arrival at the cell due to H+ ions bombarding the hemoglobin surface residues to convert Hb from "R state" to "T state"). Furthermore, the mechanism for formation of carbaminohemoglobin generates additional H+ ions that may further stabilize the protonated/ionized deoxygenated hemoglobin. Upon return of venous blood into the lung and subsequent exhalation of carbon dioxide, the blood is "de acidified" (see also: hyperventilation) for the deprotonation/unionization of hemoglobin to re enable oxygen binding as part of the transition to arterial blood (note this process is complex due to involvement of chemoreceptors, pH buffers and other physiochemical functionalities). Carbon monoxide poisoning disturbs this physiological process hence the venous blood of poisoning patients is bright red akin to arterial blood since the carbonyl/carbon monoxide is retained, whereas deoxygenated hemoglobin is dark red and carbaminohemoglobin has a blue hue. Therefore a patient suffering from carbon monoxide poisoning may experience severe hypoxia and acidosis in addition to the toxicities of excess carbon monoxide binding to numerous hemoproteins, metallic and non metallic targets which affect cellular machinery (such as inhibition of cytochrome c oxidase).

Карбоксигемоглобинные фармацевтические препараты

Поскольку монооксид углерода в настоящее время рассматривается как обладающий терапевтическим потенциалом, фармацевтические разработки сосредоточены на создании молекул, высвобождающих монооксид углерода, и селективных индукторов гемооксигеназы. Альтернативный метод доставки лекарств заключается в использовании монооксида углерода, иммобилизованного на бычьем карбоксигемоглобине, который в настоящее время находится на поздней стадии клинических испытаний. Ранее малеимид-PEG-конъюгированный человеческий карбоксигемоглобин также был объектом фармацевтических разработок.