Кривая диссоциации кислород-гемоглобин - Oxygen–hemoglobin dissociation curve

В кривая диссоциации кислород-гемоглобин, также называемый кривая диссоциации оксигемоглобина или же кривая диссоциации кислорода (ODC), это изгиб который отображает долю гемоглобин в его насыщенном (кислород -загрузка) на вертикальной оси против преобладающего напряжение кислорода по горизонтальной оси. Эта кривая является важным инструментом для понимания того, как наша кровь переносит и выделяет кислород. В частности, кривая диссоциации оксигемоглобина соотносит насыщение кислородом (SО₂) и частичное давление кислорода в крови (PО₂), и определяется так называемым «сродством гемоглобина к кислороду»; то есть насколько легко гемоглобин поглощает и выделяет кислород молекулы в жидкость, которая его окружает.

Фон

Гемоглобин (Hb) является основным транспортным средством для перевозки кислород в кровь. Каждая молекула гемоглобина может нести четыре молекулы кислорода. Эти молекулы кислорода связываются с утюг из гем протезная группа.^[1]

Когда гемоглобин не имеет связанного кислорода и не связан углекислый газ, имеет несвязанную конформацию (форму). Связывание первой молекулы кислорода вызывает изменение формы гемоглобина, что увеличивает его способность связываться с тремя другими молекулами кислорода.

В присутствии растворенного диоксида углерода pH изменений крови; это вызывает другое изменение формы гемоглобина, которое увеличивает его способность связывать углекислый газ и снижает его способность связывать кислород. С потерей первой молекулы кислорода и связыванием первой молекулы диоксида углерода происходит еще одно изменение формы, которое дополнительно снижает способность связывать кислород и увеличивает способность связывать диоксид углерода. Кислород, связанный с гемоглобином, попадает в плазму крови и всасывается в ткани, а углекислый газ в тканях связан с гемоглобином.

в легкие имеет место обратный процесс. С потерей первой молекулы углекислого газа форма снова изменяется, что облегчает высвобождение трех других углекислых газов.

Кислород также переносится растворенным в крови. плазма, но в гораздо меньшей степени. Гемоглобин содержится в красные кровяные тельца. Гемоглобин высвобождает связанный кислород, когда угольная кислота присутствует, как и в тканях. в капилляры, куда углекислый газ Кислород, связанный с гемоглобином, выделяется в плазму крови и всасывается тканями.

Сколько из этой емкости заполнено кислородом в любой момент, называется насыщение кислородом. Выраженное в процентах, насыщение кислородом - это отношение количества кислорода, связанного с гемоглобином, к кислородной способности гемоглобина. Переносимость кислорода гемоглобином определяется типом гемоглобина, присутствующего в крови. Количество кислорода, связанного с гемоглобином в любое время, в значительной степени связано с частичное давление кислорода, которому подвергается гемоглобин. В легких на альвеолярно-капиллярный интерфейс парциальное давление кислорода обычно высокое, и поэтому кислород легко связывается с присутствующим гемоглобином. Поскольку кровь циркулирует в других тканях тела, в которых парциальное давление кислорода меньше, гемоглобин выделяет кислород в ткань, потому что гемоглобин не может поддерживать свою полную способность связывать кислород в присутствии более низких парциальных давлений кислорода.

Сигмовидная форма

Кривая насыщения гемоглобина

Кривая обычно лучше всего описывается сигмовидный сюжет, используя формулу вида:

${\displaystyle S(t)={\frac {1}{1+e^{-t}}}.}$

Молекула гемоглобина может обратимым способом связывать до четырех молекул кислорода.

Форма кривой является результатом взаимодействия связанных молекул кислорода с входящими молекулами. Связывание первой молекулы затруднено. Однако это облегчает связывание второго, третьего и четвертого, это связано с индуцированным конформационным изменением структуры молекулы гемоглобина, вызванным связыванием молекулы кислорода.

В самом простом виде кривая диссоциации оксигемоглобина описывает соотношение между парциальным давлением кислорода (ось x) и насыщением кислородом (ось y). Сродство гемоглобина к кислороду увеличивается по мере связывания последовательных молекул кислорода. По мере увеличения парциального давления кислорода связывается больше молекул, пока не будет достигнуто максимальное количество, которое может быть связано. По мере приближения к этому пределу происходит очень небольшое дополнительное связывание, и кривая выравнивается, поскольку гемоглобин насыщается кислородом. Следовательно, кривая имеет сигмоидальную или S-образную форму. При давлениях выше примерно 60 мм рт. Ст. Стандартная кривая диссоциации является относительно плоской, что означает, что содержание кислорода в крови существенно не изменяется даже при значительном повышении парциального давления кислорода. Чтобы получить больше кислорода к тканям, потребуется переливание крови для увеличения количества гемоглобина (и, следовательно, способность переносить кислород) или дополнительного кислорода, который увеличивает растворенный в плазме кислород, хотя связывание кислорода с гемоглобином продолжается до некоторой степени для давления около 50 мм рт.ст., когда парциальное давление кислорода уменьшается в этой крутой области кривой, кислород легко выгружается в периферические ткани, поскольку сродство гемоглобина уменьшается. Парциальное давление кислорода в крови, при котором гемоглобин насыщается на 50%, обычно около 26,6 мм рт. Ст. (3,5 кПа) для здорового человека известен как п₅₀. P₅₀ является стандартной мерой сродства гемоглобина к кислороду. При наличии заболевания или других состояний, которые изменяют сродство гемоглобина к кислороду и, следовательно, сдвигают кривую вправо или влево, P₅₀ изменяется соответственно. Повышенный P₅₀ указывает на сдвиг стандартной кривой вправо, что означает, что необходимо большее парциальное давление для поддержания 50% насыщения кислородом. Это указывает на пониженное сродство. И наоборот, более низкий P₅₀ указывает на сдвиг влево и более высокое сродство.

Участок "плато" кривой диссоциации оксигемоглобина - это диапазон, который существует в легочных капиллярах (минимальное снижение переносимого кислорода до тех пор, пока p (O₂) падает на 50 мм рт. ст.).

«Крутой» участок кривой диссоциации оксигемоглобина - это диапазон, который существует в системных капиллярах (небольшое падение в системных капиллярах p (O₂) может привести к высвобождению большого количества кислорода для метаболически активных клеток).

Чтобы увидеть относительное сродство каждого последующего кислорода по мере удаления / добавления кислорода из / в гемоглобин из кривой, сравните относительное увеличение / уменьшение p (O₂), необходимого для соответствующего увеличения / уменьшения s (O₂).

Факторы, влияющие на стандартную кривую диссоциации

На силу связывания кислорода с гемоглобином влияет несколько факторов. Эти факторы сдвигают или изменяют форму кривой диссоциации оксигемоглобина. Сдвиг вправо указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет пониженное сродство к кислороду. Это затрудняет связывание гемоглобина с кислородом (требуется более высокое парциальное давление кислорода для достижения такого же насыщения кислородом), но облегчает гемоглобину высвобождение связанного с ним кислорода. Эффект этого сдвига кривой вправо увеличивает парциальное давление кислорода в тканях, когда это больше всего необходимо, например, во время физических упражнений или геморрагического шока. Напротив, кривая смещается влево из-за противоположных этим условиям. Этот сдвиг влево указывает на то, что исследуемый гемоглобин имеет повышенное сродство к кислороду, так что гемоглобин легче связывает кислород, но разгружает его более неохотно. Сдвиг кривой влево является признаком повышенного сродства гемоглобина к кислороду (например, в легких). Точно так же сдвиг вправо показывает снижение сродства, как это могло бы появиться при повышении температуры тела, ионов водорода, 2,3-бисфосфоглицерат (2,3-БПГ) концентрация или концентрация углекислого газа.

Факторы контроля	Изменять	Сдвиг кривой
Температура	↑	→
	↓	←
2,3-БПГ	↑	→
	↓	←
pCO2	↑	→
	↓	←
Кислотность [H^+]	↑	→
	↓	←

Примечание:

• Левый сдвиг: выше O₂ близость
• Сдвиг вправо: нижний O₂ близость
• гемоглобин плода имеет более высокое содержание O₂ сродство, чем у взрослого гемоглобина; в первую очередь из-за значительно сниженного сродства к 2,3-бисфосфоглицерат .

Причины смещения вправо можно запомнить, используя мнемонический, "КАДЕТ, лицом вправо! "для CО₂, АСид, 2,3-DPG,^{[Примечание 1]} Eупражнения и Ттемпература.^[2] Факторы, которые сдвигают кривую диссоциации кислорода вправо, - это те физиологические состояния, при которых тканям требуется больше кислорода. Например, во время упражнений у мышц более высокая скорость метаболизма, и, следовательно, им нужно больше кислорода, они производят больше углекислого газа и молочной кислоты, и их температура повышается.

pH

Снижение pH (увеличение  ЧАС⁺ концентрация ионов) сдвигает стандартную кривую вправо, а увеличение - влево. Это происходит потому, что при большем  ЧАС⁺ Концентрация ионов, различные аминокислотные остатки, такие как гистидин 146, существуют преимущественно в протонированной форме, что позволяет им образовывать ионные пары, которые стабилизируют дезоксигемоглобин в состоянии T.^[3] Состояние T имеет более низкое сродство к кислороду, чем состояние R, поэтому с повышенной кислотностью гемоглобин связывает меньше O₂ для данного P_O2 (и более H⁺). Это известно как Эффект Бора.^[4] Снижение общей связывающей способности гемоглобина по отношению к кислороду (т. Е. Смещение кривой вниз, а не только вправо) из-за снижения pH называется корневой эффект. Это наблюдается у костистой рыбы. Сродство связывания гемоглобина с O₂ является наибольшим при относительно высоком pH.

Углекислый газ

Углекислый газ влияет на кривую двумя способами. Во-первых, CO₂ причины накопления карбамино соединения, которые образуются в результате химических взаимодействий, которые связываются с образованием гемоглобина карбаминогемоглобин . CO₂ считается Аллостерическая регуляция поскольку ингибирование происходит не в месте связывания гемоглобина.^[5] Во-вторых, это влияет внутриклеточный pH из-за образования бикарбонат-иона. Образование карбаминогемоглобина стабилизирует гемоглобин в Т-состоянии за счет образования ионных пар.^[3] Только около 5–10% от общего количества CO₂ содержимое крови транспортируется в виде карбаминовых соединений, тогда как (80–90%) транспортируется в виде ионов бикарбоната, а небольшое количество растворяется в плазме. Образование бикарбонат-иона будет высвобождать протон в плазму, снижая pH (повышенную кислотность), что также сдвигает кривую вправо, как обсуждалось выше; низкий CO₂ уровни в кровотоке приводят к высокому pH и, таким образом, обеспечивают более оптимальные условия связывания гемоглобина и O₂. Это физиологически предпочтительный механизм, поскольку гемоглобин будет терять больше кислорода, поскольку концентрация углекислого газа резко возрастает, когда тканевое дыхание происходит быстро и кислород нуждается.^[6][7]

2,3-БПГ

Основная статья: 2,3-бисфосфоглицериновая кислота

2,3-Бисфосфоглицерат или 2,3-BPG (ранее назывался 2,3-дифосфоглицерат или 2,3-DPG - ссылка?) - это органофосфат, образующийся в красные кровяные тельца в течение гликолиз и это сопряженное основание из 2,3-бисфосфоглицериновая кислота. Продукция 2,3-BPG, вероятно, является важным адаптивным механизмом, потому что продукция увеличивается в нескольких условиях в присутствии уменьшенной периферической ткани O₂ доступность, например гипоксемия, хроническое заболевание легких, анемия, и хроническая сердечная недостаточность, среди прочего. Высокие уровни 2,3-BPG смещают кривую вправо (как в детстве), в то время как низкие уровни 2,3-BPG вызывают сдвиг влево, наблюдаемый в таких состояниях, как септический шок, и гипофосфатемия.^[4] В отсутствие 2,3-БПГ повышается сродство гемоглобина к кислороду. 2,3-БПГ действует как гетероаллостерический эффектор гемоглобина, снижая сродство гемоглобина к кислороду за счет связывания преимущественно с дезоксигемоглобином. Повышенная концентрация БПГ в красных кровяных тельцах способствует формированию Т (напряженного или напряженного) состояния гемоглобина с низким сродством, поэтому кривая связывания кислорода смещается вправо.

Температура

Повышение температуры сдвигает ODC вправо. Если температура повышается, ${\displaystyle {\ce {[O2]}}}$ то же самое, то насыщение кислородом уменьшается, потому что связь между железом в ${\displaystyle {\ce {Hb}}}$ и ${\displaystyle {\ce {O2}}}$ денатурируется. Точно так же с повышением температуры также увеличивается парциальное давление кислорода. Таким образом, процент насыщения гемоглобина будет меньше для тех же ${\displaystyle {\ce {[O2]}}}$ или более высокое парциальное давление кислорода. Таким образом, любая точка кривой сместится вправо (из-за повышенного парциального давления кислорода) и вниз (из-за ослабления ${\displaystyle {\ce {Hb-O2}}}$связь). Следовательно, сдвиг кривой вправо.^[8]

Монооксид углерода

Гемоглобин связывается с монооксид углерода В 210 раз легче, чем с кислородом.^[4] Из-за более высокого сродства гемоглобина к окиси углерода, чем к кислороду, окись углерода является очень успешным конкурентом, который вытесняет кислород даже при крохотных парциальных давлениях. Реакция HbO₂ + CO → HbCO + O₂ практически необратимо вытесняет молекулы кислорода, образующие карбоксигемоглобин; Связывание оксида углерода с железным центром гемоглобина намного сильнее, чем у кислорода, и сайт связывания остается заблокированным до конца жизненного цикла затронутого эритроцита.^[9] При повышенном уровне окиси углерода человек может сильно пострадать в тканях гипоксия при сохранении нормального рО₂ потому что карбоксигемоглобин не переносит кислород к тканям.

Последствия метгемоглобинемии

Метгемоглобинемия представляет собой форму аномального гемоглобина, при которой центр железа был окислен из железо +2 степень окисления (нормальная форма) к железо +3 государственный. Это вызывает сдвиг влево кривой диссоциации кислородного гемоглобина, поскольку любой остаточный гем с оксигенированным двухвалентным железом (состояние +2) не может выгрузить связанный кислород в ткани (поскольку 3+ железо нарушает кооперативность гемоглобина), тем самым увеличивая его сродство с кислородом. . Однако метгемоглобин имеет повышенное сродство к цианид, и поэтому полезен при лечении отравление цианидом. В случае случайного проглатывания введение нитрит (Такие как амилнитрит ) может использоваться для преднамеренного окисления гемоглобина и повышения уровня метгемоглобина, восстанавливая функционирование цитохромоксидаза. Нитрит также действует как вазодилататор, способствуя доставке кислорода клетками, а добавление соли железа обеспечивает конкурентное связывание свободного цианида как биохимически инертного гексацианоферрат (III) ион, [Fe (CN)₆]³⁻. Альтернативный подход предполагает введение тиосульфат, тем самым превращая цианид в тиоцианат, SCN⁻, который выводится через почки. Метгемоглобин также образуется в небольших количествах, когда диссоциация оксигемоглобина приводит к образованию метгемоглобина и супероксид, O₂⁻, вместо обычных продуктов. Супероксид - это свободный радикал и вызывает биохимические повреждения, но нейтрализуется действием фермента супероксиддисмутаза.

Эффекты ITPP

Мио-инозитол триспирофосфат (ITPP), также известный как OXY111A, является инозитолфосфат что вызывает сдвиг вправо в кривой диссоциации кислородного гемоглобина через аллостерическая модуляция гемоглобина в красных кровяных тельцах. Это экспериментальный препарат, предназначенный для сокращения тканей гипоксия. Эффект длится примерно до тех пор, пока пораженные эритроциты остаются в обращении.

Гемоглобин плода

Кривая насыщения гемоглобином плода

Гемоглобин плода (HbF) структурно отличается от нормального гемоглобин взрослых (HbA), что дает HbF более высокое сродство к кислороду, чем HbA. HbF состоит из двух альфа и двух гамма цепей, тогда как HbA состоит из двух альфа и двух бета цепей. Кривая диссоциации плода смещена влево относительно кривой для нормального взрослого человека из-за этих структурных различий.

Обычно артериальное давление кислорода у плода ниже, чем у взрослых. Следовательно, более высокое сродство к связыванию кислорода требуется при более низких уровнях парциального давления у плода, чтобы обеспечить диффузию кислорода через плацента. В плаценте наблюдается более высокая концентрация 2,3-БПГ 2,3-BPG легко связывается с бета-цепями, а не с альфа-цепями. В результате 2,3-BPG более прочно связывается с гемоглобином взрослого человека, заставляя HbA выделять больше кислорода для поглощения плодом, чей HbF не зависит от 2,3-BPG.^[10] Затем HbF доставляет связанный кислород к тканям с еще более низким парциальным давлением, откуда он может высвобождаться.

Смотрите также

• Автоматический анализатор
• Эффект Бора

Примечания

1. 2,3-DPG - это сокращение от 2,3-Dяпхофограммлицериновая кислота, устаревшее название 2,3-BPG

Рекомендации

1. Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (2017). Биохимия - бесплатно для всех (PDF) (1.2 изд.). NC: Creative Commons.
2. «Медицинская мнемоника». LifeHugger. Получено 2009-12-19.
3. Ленингер. Принципы биохимии (6-е изд.). п. 169.
4. Жакес, Джон (1979). Респираторная физиология. Макгроу-Хилл. С. 156–175.
5. Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (5 августа 2017 г.). Биохимия - бесплатно для всех (1.2 изд.). NC-Creative Commons. п. 370.
6. Ахерн, Кевин; Раджагопал, Индира; Тан, Таралин (5 августа 2017 г.). Биохимия - бесплатно для всех (1.2 изд.). NC-Creative Commons. п. 134.
7. Донна, Ларсон (2017). Клиническая химия: основы и лабораторные методы. Сент-Луис, Миссури: Эльзевир. п. 226. ISBN  978-1-4557-4214-1.
8. Шмидт-Нильсен (1997). Физиология животных: адаптация и окружающая среда. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0521570980.
9. Коц, Джон (август 2012). Химия и химическая реакционная способность (8-е изд.). Cengage Learning. п. 1032. ISBN  978-1133420071. Получено 2015-07-01.
10. Иллюстрированный обзор Липпинкотта: биохимия, 4-е издание. Северная Америка: Липпинкотт, Уильямс и Уилкинс. 2007. С. 24–35. ISBN  978-0-7817-6960-0.

внешняя ссылка

• Носек, Томас М. "Раздел 4 / 4ч5 / с4ч5_18". Основы физиологии человека. Архивировано из оригинал на 24.03.2016.
• Интерактивная кривая диссоциации оксигемоглобина
• Моделирование параметров CO₂, pH и температура на кривой диссоциации кислород – гемоглобин (сдвиг влево или вправо)