КАРБОКСИХЕМОГЛОБИН: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЕФЕКТИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В карбоксихемоглобин е свързан хемоглобин въглероден окис (СО). Хемоглобинът е протеинът, който пренася кислород през кръвта при хората и много други гръбначни животни.

За да транспортира кислород, хемоглобинът трябва да се свърже с него. Макс Перуц, химик и нобелов лауреат, роден във Виена през 1914 г. и починал в Кеймбридж през 2002 г., нарече поведението на хемоглобина, свързващо кислорода, "неморално".

Структура на хемоглобина (Източник: Биелабио през Wikimedia Commons)

Представете си две молекули на хемоглобина, всяка от които може да свързва четири кислородни молекули. Едната вече има три кислородни молекули, а другата няма. Ако се появи друга кислородна молекула, въпросът е следният: присъединява ли се към "богатия", който вече има три, или "беден", който няма? Вероятността е от 100 до 1, че ще е насочена към богатата молекула.

А сега си представете две други молекули на хемоглобина. Единият има 4 молекули кислород (той е наситен), а другият има само една. Коя молекула е по-вероятно да дава кислород на тъкани, богати или бедни? По-бедните ще доставят кислород по-лесно от богатите.

Разпределението на кислорода в молекулата на хемоглобина може да се разглежда като библейска притча: "… на този, който има, на него ще бъде дадено и на този, който няма, дори това, което има, ще бъде отнето…" (Мт, 13:12). От физиологична гледна точка това "неморално" поведение на молекулата на хемоглобина е много важно, тъй като допринася за доставката на кислород в тъканите.

Въглеродният окис обаче, независимо от броя на кислородните атоми, прикрепени към молекулата на хемоглобина, "убива" всички тях. Тоест при наличие на изобилен CO целият кислород, свързан с хемоглобина, се замества от СО.

Структурни характеристики

За да се говори за карбоксихемоглобин, който не е нищо повече от състояние на хемоглобин, свързано с въглероден оксид, първо е необходимо да се обърнем към хемоглобина в общи линии.

Хемоглобинът е протеин, състоящ се от четири субединици, всяка от които е образувана от полипептидна верига, известна като глобин и група от небелтъчна природа (протезна група), наречена хема група.

Всяка група хем съдържа железен атом в железно състояние (Fe ²⁺). Това са атомите, способни да се свързват с кислород, без да се окисляват.

Хемоглобиновият тетрамер е съставен от две субединици алфа глобин, от 141 аминокиселини всяка и две субединици бета глобин, от 146 аминокиселини всяка.

Форми или структури на хемоглобина

Когато хемоглобинът не е свързан с никой кислороден атом, структурата на хемоглобина е твърда или напрегната, поради образуването на солни мостове в него.

Четворната структура на безкислородния (дезоксигениран) хемоглобин е известна като "Т" или напрегната структура, а оксигенираният хемоглобин (оксихемоглобин) е известен като "R" или спокойна структура.

Преходът от структурата на Т към структурата на R се осъществява чрез прикрепване на кислород към атома на черното желязо (Fe ²⁺) от групата на хема, прикрепена към всяка глобинова верига.

Кооперативно поведение

Субединиците, изграждащи структурата на хемоглобина, показват поведение на сътрудничество, което може да се обясни със следния пример.

Деоксигенираната молекула на хемоглобина (в структурата на Т) може да бъде представена като топка вълна с местата за свързване на кислорода (групи от хема), много скрити в нея.

Когато тази напрегната структура се свързва с кислородна молекула, скоростта на свързване е много бавна, но това свързване е достатъчно, за да се разхлаби топката малко и да се доближи следващата група на хема към повърхността, което прави скоростта, с която се свързва следващият кислород е по-висок, повтаряйки процеса и увеличавайки афинитета с всяка връзка.

Ефекти на въглероден оксид

За да се изследват ефектите на въглеродния окис върху транспорта на газове в кръвта, първо е необходимо да се опишат характеристиките на кривата на оксихемоглобин, която описва нейната зависимост от парциалното налягане на кислорода да "зарежда" или не с молекулите на кислорода.

Кривата на оксихемоглобин има сигмоидна или "S" форма, която варира в зависимост от парциалното налягане на кислорода. Графиката на кривата излиза от анализите, направени на кръвните проби, използвани за нейното конструиране.

Най-стръмният участък на кривата се получава с налягания под 60 mmHg и при по-високи налягания от това кривата има тенденция да се изравнява, сякаш достига до плато.

Когато в присъствието на определени вещества, кривата може да покаже значителни отклонения. Тези отклонения показват промени, които настъпват в афинитета на хемоглобин кислород в същото РО ₂.

За количествено определяне на това явление беше въведено измерването на афинитета на хемоглобина към кислорода, известен като стойността P ₅₀, която е стойността на парциалното налягане на кислорода, при която хемоглобинът е 50% наситен; т. е. когато половината от неговите хем групи са свързани с кислородна молекула.

При стандартни условия, които трябва да се разбират като pH 7.4, парциално налягане на кислорода от 40 mmHg и температура 37 ° C, ниското P ₅₀ на възрастен мъж е 27 mm Hg или 3.6 kPa.

Какви фактори могат да повлияят на афинитета на хемоглобина към кислорода?

Афинитетът към кислород на хемоглобина, съдържащ се в еритроцитите, може да намалее в присъствието на 2,3 дифосфоглицерат (2-3DPG), въглероден диоксид (CO ₂), високи концентрации на протони или поради повишена температура; същото важи и за въглеродния окис (СО).

Функционални последици

Въглеродният окис е в състояние да попречи на функцията за транспортиране на кислород в артериалната кръв. Тази молекула е способна да се свързва с хемоглобин и да образува карбоксихемоглобин. Това е така, защото той има афинитет към хемоглобина около 250 пъти по-голяма от О ₂, така че е в състояние да го измести, дори когато тя е свързана с него.

Тялото произвежда въглероден оксид постоянно, макар и в малки количества. Този безцветен газ без мирис се свързва с групата на хема по същия начин, както прави О2 , и обикновено около 1% от хемоглобина в кръвта съществува като карбоксихемоглобин.

Тъй като непълното изгаряне на органична материя произвежда СО, делът на карбоксихемоглобин при пушачите е много по-висок, достигайки стойности между 5 и 15% от общия хемоглобин. Хроничното повишаване на концентрацията на карбоксихемоглобин е вредно за здравето.

Увеличаването на количеството CO, което се вдишва, което генерира повече от 40% карбоксихемоглобин, е животозастрашаващо. Когато железен сайта на свързване на желязо е заета от CO, O ₂ не може да се свърже.

Свързването на СО причинява преминаването на хемоглобин на структурата на R, така че хемоглобин допълнително намалява способността да доставя О ₂ в кръвните капиляри.

Карбоксихемоглобинът е със светлочервен цвят. Тогава пациентите, отровени от СО, стават розови, дори в кома и респираторна парализа. Най-доброто лечение, за да се опита да спаси живота на тези пациенти, е да ги накарат да вдишват чист кислород, дори хипербаричен, за да се опитат да изместят свързването на желязо с СО.

Препратки

1. Fox, SI (2006). Човешка физиология 9-то издание (стр. 501-502). McGraw-Hill press, Ню Йорк, САЩ.
2. Мъри, RK, Granner, DK, Mayes, PA и Rodwell, VW (2014). Илюстрираната биохимия на Харпър. McGraw-Hill.
3. Rawn, JD (1998). Биохимия (1989). Бърлингтън, Северна Каролина: Нийл Патерсън Publishers (в) Н. Лалиоти, CP Raptopoulou, A. Terzis, A. Panagiotopoulos, SP Perlepes, E. Manessi-Zoupa, J. Chem. Soc. Dalton Trans, 1327.
4. Робърт М. Берн, Матю Н. Леви. (2001) Физиология. (3-то изд.) Ediciones Harcourt, SA
5. West, JB (1991). Физиологична основа на медицинската практика. Уилямс и Уилкинс