Физиологическое значение. 
Химическое строение и физиологическое значение гемоглобина

Транспорт кислорода

Лишь небольшая часть О2 (около 2%), переносимого кровью, растворена в плазме. Основная его часть транспортируется в форме непрочного соединения с гемоглобином, который у позвоночных содержится в эритроцитах.

1 г гемоглобина может связать 1,36 мл газообразного О2 (при нормальном атмосферном давлении). Учитывая, к примеру, что в крови человека и многих животных содержится порядка 150 г/л гемоглобина, 100 мл крови могут переносить около 21 мл О2. Это так называемая кислородная емкость крови. Оксигенация гемоглобина (иначе говоря, процент, на который используется кислородная емкость крови) зависит от парциального давления 02 в среде, с которой контактирует кровь. Такая зависимость описывается кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 4 — 5). [1].

Сложная S—образная форма этой кривой объясняется кооперативным эффектом четырех полипептидных цепей гемоглобина, кислородсвязывающие свойства (сродство к О2) которых различны.

Благодаря такой особенности венозная кровь, проходя легочные капилляры (альвеолярное Р O2 приходится на верхнюю часть кривой), оксигенируется почти полностью, а артериальная кровь в капиллярах тканей (где Ро2 соответствует крутой части кривой) эффективно отдает О2. Отдаче кислорода способствует одержащийся в эритроцитах 2,3—дифосфоглицерат, синтез которого усиливается при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях. [1].

Кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо при повышении температуры и при увеличении концентрации водородных ионов в среде которая, в свою очередь, зависит от Рсо2 (эффект Вериго—Бора). Поэтому создаются условия для более полной отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях особенно там, где выше интенсивность метаболизма, например в работающих мышцах. Однако и в венозной крови большая или меньшая часть (от 40 до 70%) гемоглобина остается в оксигенированной форме. [1].

Сродство гемоглобина к кислороду измеряется величиной парциального давления кислорода, при которой гемоглобин насыщается на 50% (Р50). Параметр Р50 отражает способность дыхательного пигмента связывать кислород. Этот параметр выше для гемоглобина животных, обитающих в бедной кислородом среде, а также для фетального гемоглобина.

Транспорт углекислого газа

Хотя СО2 растворяется в жидкости гораздо лучше, чем O2, только 3—6% общего количества продуцируемого тканями C02 переносится плазмой крови в физически растворенном состоянии. Остальная часть вступает в химические связи.

Поступая в тканевые капилляры, С02 гидратируется, образуя нестойкую угольную кислоту:

СО2 + Н20 - Н2СОзH+ + НСО3-;

Направление этой обратимой реакции зависит от Рсо2 в среде. Она резко ускоряется под действием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах, куда СО2 быстро диффундирует из плазмы.

Около 4/5 углекислого газа транспортируется в виде гидрокарбоната НСО3—. Связыванию С02 способствует уменьшение кислотных свойств (протонного сродства) гемоглобина в момент отдачи им кислорода — дезоксигенирование (эффект Холдейна). При этом гемоглобин высвобождает связанный с ним ион калия, с которым, в свою очередь, реагирует угольная кислота:

К+ + HbO2 + H+ + НСОз— = HHb + КНСО3 + 02.

Часть ионов НСО3— диффундирует в плазму, связывая там ионы натрия, в эритроцит же поступают в порядке сохранения ионного равновесия ионы хлора.

Кроме того, также за счет уменьшения протонного сродства дезоксигенированный гемоглобин легче образует карбаминовые соединения, связывая при этом еще около 15% переносимого кровью СО2.

В легочных капиллярах происходит высвобождение части CO2, который диффундирует в альвеолярный газ. Этому способствует более низкое чем в плазме, альвеолярное Pco2, а также усиление кислотных свойств гемоглобина при его оксигенации. В ходе дегидратации угольной кислоты в эритроцитах (эта реакция тоже резко ускоряется карбоангидразой) оксигемоглобин вытесняет ионы калия из гидрокарбоната. Ионы НСОз— поступают из плазмы в эритроцит, а ионы Сl— - в обратном направлении. Таким путем каждые 100 мл крови отдают в легких 4—5 мл С02 — то же количество, какое кровь получает в тканях (артерио—венозная разница по СО2). [1].

Гемоглобин (в силу амфотерных свойств) и гидрокарбонат являются важными буферными системами крови.

Гемоглобин является частью белкового буфера. Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Концевые карбоксии аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп сравнительно мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться, и особенно имидазольное кольцо гистидина. [3].

К буферным белкам относятся как белки плазмы (в частности, альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин. На долю последнего приходится большая часть буферной ёмкости белковой системы, что связано как со значительной концентрацией гемоглобина, так и с относительно высоким содержанием в нем гистидина.

Гемоглобин играет также важную роль в буферной емкости крови благодаря изменению его кислотных свойств при оксигенации и дезоксигенации. В физиологическом диапазоне рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Такая разница обусловлена главным образом влиянием кислорода, связанного с железом, на связывание Н+ соседними имидазольными группами гистидина. Благодаря этому влиянию гемоглобин, освобождая в тканях кислород, приобретает большую способность к связыванию ионов Н+ образующихся при одновременном поглощении СO2. При поглощении кислорода кровью в легких происходят обратные процессы. Таким образом, обмен O2 усиливает буферный эффект гемоглобина. [3].

Гемоглобин можно считать своего рода модельным белком, структура, свойства и функции которого наиболее полно изучены по сравнению с другими белками на протяжении последних 50 лет. Американский физик Хопфилд назвал его «атомом водорода современной биохимии», имея в виду, что изучение гемоглобина сыграло в биохимии ту же роль, что и изучение атома водорода в физике. Гемоглобин называют также «почётным ферментом», поскольку исследования его структуры в статике и динамике позволили значительно продвинуться в понимании механизмов функционирования ферментов. [2].