Кривая диссоциации оксигемоглобина

Отношения, существующие между парциальным давлением кислорода и нагрузкой им гемоглобина на всем пути транспорта кислорода от места его максимального давления в органах дыхания к месту минимального давления в тканях, могут быть выражены в виде кривой диссоциации. Практически кривая диссоциации оксигемоглобина представляет графическое изображение соотношения, существующего между процентом насыщения гемоглобина кислородом (или содержанием кислорода в процентах) и его парциальным давлением при неизмененном парциальном давлении СО2. Так как метод построения кривой диссоциации оксигемоглобина очень редко описывается в литературе, мы сочли необходимым изложить его в том виде, в каком он применяется в нашей лаборатории. В лабораторных условиях диссоциация протекает в сатураторах (т. е. в стеклянных резервуарах специальной формы, емкостью приблизительно 250 мл), погруженных в водяную баню при постоянном вращении в течение получаса при температуре от 37,5 до 38°. Сухие, герметически закрытые сатураторы до введения в них крови заполняются заранее заданной газовой смесью определенного состава (давление углекислоты 40 мм ртутного столба и давление кислорода 100, 80, 60, 40, 20, 10 мм).
Порядок заполнения сатураторов газовой смесью следующий: с помощью водоструйного насоса производят откачивание воздуха из сатураторов, причем степень разрежения воздушного пространства контролируют показанием ртутного столба в манометре Фридеричи.
После первого разрежения (720 мм) всю систему сатураторов, включенных одновременно, отключают закрытием соответствующего крана от водоструйного насоса и присоединяют к баллону с азотом. Тщательно, при условии очень медленного поступления газа, систему промывают азотом. После этого кран, соединяющий систему сатураторов с азотом, закрывают и вся система снова сообщается с водоструйным насосам. Производят вторичное промывание системы азотом.
После двукратного промывания азотом систему с помощью крана переключают на соединение с водоструйным насосом, и разрежение доводят до 640 мм ртутного столба, после чего кран к водоструйному насосу закрывают и систему с помощью трехходового крана соединяют с баллоном, содержащим углекислоту, которую медленно вводят из баллона до уровня ртути в монометре Фридеричи 600 мм.
Вследствие этого во всей системе сатураторов создается давление СО2 40 мм ртутного столба. После этого кран от баллона с СО2 закрывают.
Все сатураторы вновь устанавливают на сообщение с азотом, который впускают медленно, до уровня ртути в манометре 500 мм. Немедленно кран первого сатуратора закрывают, тем самым отъединяя его от всей системы. Затем пропускают азот в остальные пять сатураторов до уровня ртути в манометре 400 мм и закрывают кран второго сатуратора. При показаниях монометра 300, 200, 100, 50 мм закрывают соответственно краны 3-го, 4-го, 5-го и 6-го сатуратора.
После заполнения сатураторов азотом и СО2 в еще разреженное пространство через один из боковых кранов вводят 5 или 3 мл крови, либо дефибринированной, либо обработанной фтористым натрием. Затем давление в сатураторах поочередно быстрым повторным открыванием среднего крана выравнивают с атмосферным.
При такой системе заполнения в первом сатураторе парциальное давление кислорода составит 100 мм, во втором - 80 мм, в третьем - 60 мм, в четвертом - 40 мм, в пятом - 20 мм, в шестом - 10 мм ртутного столба. Заполненные таким образом сатураторы до помещения их в водяную баню сохраняют на льду.
Кроме указанных шести сатураторов, заготовляют еще седьмой, который до введения в него дефибринированной крови остается открытым. Затем в него вводят 5 мл дефибринированной крови, помещают в те же условия, что и предыдущие, и используют для определения емкости дефибринированной крови.
Водяную баню предварительно нагревают до 37,5°. Сатураторы одновременно помещают в специальные, горизонтально расположенные гнезда. После гого как сатураторы приняли температуру бани (через пять минут), избыточное давление газов, образовавшееся в результате нагревания, снижается при быстром открывании бокового крана, через который вводилась кровь, что контролируют появлением пузырьков на поверхности воды. После этого вращение сатураторов в бане продолжают еще в течение 25 минут. Затем измеряют (посредством манометра) избыточное давление газов в сатураторах. Для этого извлеченный из гнезда сатуратор переводят в вертикальное положение, оставляя его глубоко погруженным в воду. При осторожном открывании крана градуированной пипетки сатуратора кровь поступает по пипетке до выхода наружу, после чего кран быстро закрывают.
Из пипетки, градуированной на 2 мл, выпускают по 1 мл крови в два аппарата ван Слайка для одновременного анализа газового состава. Затем сатураторы ставят на лед и после охлаждения производят анализ газовой смеси в аппарате Холдена.
Чтобы получить представление о давлении газов в смеси, наполняющей сатуратор, необходимо результаты, полученные в аппарате Холдена в объемных процентах, перевести в миллиметры ртутного столба. Для этого к показанию барометрического давления в день опыта прибавляют избыточное давление в сатураторе. От полученной суммы отнимают разность между парциальным давлением водяных паров при 37,5° и парциальным давлением при комнатной температуре, при которой производился анализ газовой смеси. Полученный результат составляет общее давление газов в сатураторе в миллиметрах ртутного столба, из которого определяется парциальное давление кислорода и углекислоты соответственно их процентному содержанию, определенному в аппарате Холдена.
Кривая диссоциации оксигемоглобина строится таким образом, что на оси абсцисс откладываются величины парциального давления кислорода, полученные на основе анализа газовой смеси в сатураторах, а на оси ординат - соответствующий процент насыщения крови кислородом.
Как показали полученные нами данные (А. М. Чарный, П. Е. Сыркина, С. Э. Красовицкая), кровь нормальных собак довольно однородна по способности своего гемоглобина отдавать кислород. Кривая диссоциации оксигемоглобина показывает, что в зависимости от парциального давления кислорода меняется процент насыщения крови кислородом. Чем выше парциальное давление, тем меньше недонасыщение гемоглобина кислородом и, наоборот, при малом парциальном давлении кислорода процент недонасыщения выше. Конечно, можно построить кривые диссоциации оксигемоглобина, отложив абсолютный объем кислорода, связанный со 100 мл крови, на оси ординат, а на оси абсцисс - парциальное давление кислорода в миллиметрах ртутного столба. Но ввиду того что содержание гемоглобина в крови различных животных и даже одного и того же животного в разное время различно, полученные кривые не сравнимы между собой. Вот почему кривые диссоциации, выраженные в объемных процентах общего содержания кислорода, при полиглобулии и анемии будут не сравнимы между собой. Выразив объемы кислорода в процентах насыщения, можно получить сравнимые между собою кривые.
Как показали полученные нами данные, содержание кислорода в артериальной крови у нормальных собак составляло в среднем 19 об.% (в бедренной вене - 12,2 об.%, в яремной - 15 об.%). Емкость кислорода крови - в среднем 20,9 об.% Если выразить полученные данные содержания кислорода в артерии и венах в величинах процента насыщения и нанести их на кривую диссоциации, то мы получим определенные точки на кривой, показывающие парциальное давление кислорода крови в соответствующих сосудах. Для упрощения мы в дальнейшем будем называть их точкой артерии и точкой вены.
.. Анализ зависимости между величиной утилизации и парциальным давлением кислорода показывает, что диссоциация оксигемоглобина идет неодинаково на различных отрезках кривой. Так, в области высоких парциальных давлений кислорода диссоциация оксигемоглобина при понижении парциального давления является незначительной, возрастая до довольно значительных величин в области более низких парциальных давлений кислорода. Наибольшая отдача кислорода оксигемоглобином в наших опытах на животных происходила при парциальном давлении 30 мл ртутного столба. Эта точка наибольшей отдачи кислорода названа точкой максимума (Литарчек и Динишиоту). В крови человека точка максимума лежит несколько выше, около 40 мм. В дальнейшем отдача кислорода снижается. Точка максимума на кривой представляет собой точку начала инфлексий, называемую поэтому точкой инфлексии. Вся кривая диссоциации делится ею как бы на две части: верхний S-образный наклон, соответствующий области высоких давлений - от 100 до 30 мм ртутного столба, который носит название верхней инфлексий, и другой, более короткий, нижний наклон в области низких давлений, называемый нижней инфлексиеи. Точки артерии и вены у нормального животного лежат всегда в области верхней инфлексий, иначе говоря, парциальное давление кислорода в крови этих сосудов довольно высокое. Внутрикапиллярное давление кислорода точно не известно. Его допустимо рассматривать как среднее парциальное давление кислорода между точками артерии и вены. Можно сделать вывод, что, по-видимому, все жизненно важные процессы в животном организме зависят от уровня парциального давления кислорода. При расположении точек артерии и вены на нижней инфлексий наблюдается патологическое состояние с извращением связи гемоглобина с кислородом.
Все сказанное выше о характере использования кислорода показывает, что для суждения о потреблении кислорода в организме необходим учет ряда факторов: содержания кислорода, артерио-венозного его различия, емкости процента насыщения крови кислородом. Каждая из этих величин приобретает особую полноту только в приложении к соответствующей кривой диссоциации оксигемоглобина. По одному из этих признаков о характере потребления кислорода организмом судить трудно. Так, например, артерио-венозное различие в содержании кислорода может стать больше, но если при этом точка вены отодвинута в область нижней инфлексий, то это будет означать, что отдача кислорода тканями происходит при низком парциальном давлении, что связано с наличием определенной формы кислородного голодания.
Крови здорового животного свойственна S-образная форма кривой с двумя инфлексиями. При различных патологических состояниях кривая диссоциации оксигемоглобина принимает другую форму. Одной из патологических форм является гиперболическая форма кривой. При этом обнаруживается, что в области высокого парциального давления кислорода степень диссоциации оксигемоглобина весьма незначительна. Сопоставление характера отдачи кислорода по S-образной и гиперболической кривой показывает, что в последнем случае в широком интервале парциальных давлений артерио-венозное различие остается очень малым. Наилучшая отдача кислорода по гиперболической кривой происходит в области низкого парциального давления кислорода (ниже 40 мм ртутного столба). К тому же интенсивность разгрузки кислорода по гиперболической кривой чрезвычайно мала в области высокого парциального давления кислорода. В зоне низкого парциального давления кислорода разгрузка носит характер «взрыва» (резкий спуск кривой), что чрезвычайно невыгодно для процессов клеточного окисления. Диссоциация оксигемоглобина, осуществляемая по гиперболической кривой, соответствует определенным условиям жизни (рыбы на больших глубинах или животные далеких геологических эпох), при которых окислительные процессы в организме могли идти при низком парциальном давлении кислорода.
Как S-образная, так и гиперболическая форма кривой диссоциации оксигемоглобина не является стабильной, и изменчивость ее зависит от ряда условий, о которых будет упомянуто ниже. Переход одной формы в другую знаменует собой то, что принято называть «сдвигом» кривой диссоциации, который свидетельствует об улучшении диссоциации при приближении к S-образной форме кривой и ухудшении диссоциации при приближении ее к форме гиперболы. Практически принято рассматривать сдвиг вправо, т. е. увеличение S-образности, как улучшение диссоциации оксигемоглобина, сдвиг же влево - как ухудшение диссоциации. Изменение формы кривой диссоциации является наиболее распространенным типом приспособления организма к условиям снабжения кислородом как в норме, так и при патологии.
Интересным примером постоянного приспособления гемоглобина являются изменения кривой диссоциации оксигемоглобина матери и плода. S-образная форма кривой сохраняется на протяжении всего периода беременности. По данным Баркрофта, начиная с 10-й недели и до конца беременности наблюдается сдвиг кривой диссоциации вправо, что указывает на улучшение снабжения тканей кислородом при беременности. Об этом свидетельствует также повышение основного обмена, достигающего +20, +30% в последние месяцы беременности. Таким образом, сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо при беременности указывает, что в организме матери, по-видимому, создались условия для улучшенного снабжения кислородом при возросших потребностях в нем.
Кривая диссоциации НЬО2 плода также изменяется. С ростом плода она сдвигается влево, к концу беременности этот сдвиг влево становится очень резко выраженным, и кривая начинает походить на гиперболу. Таким образом, сродство гемоглобина кислороду в фетальном гемоглобине увеличено. В основе изменений форм кривых диссоциации НЬО2 матери и плода лежат изменения как в плазме крови, так и внутри эритроцита. Во всяком случае кривая диссоциации фетального гемоглобина говорит также об адаптационной способности гемоглобина, так как у плода специфическая функция гемоглобина снижена в связи с относительно низким метаболизмом плода. Это повышение сродства гемоглобина к кислороду остается еще некоторое время у новорожденных и постепенно переходит к нормальной величине. Подробно изменения кривой диссоциации, соответствующие различным возрастным группам, не изучены.
Небольшие отклонения формы кривой диссоциации оксигемоглобина вправо и влево без потери S-образности могут иметь место в нормальных условиях в результате адаптации организма (мышечное напряжение, пребывание на высотах). Резко выраженный сдвиг кривой с потерей S-образности и переходом на гиперболический тип свидетельствует о частичной потере гемоглобином его «удивительных» приспособлений и связан с тяжелым патологическим состоянием организма. В большинстве случаев изменение формы кривой с переходом ее на гиперболический тип тесно связано с извращением основного специфического качества гемоглобина.
Если бы реакция между гемоглобином и кислородом протекала по уравнению НЬ + О2 - НЬО2 (1), то легко показать, что связь между степенью насыщения гемоглобина кислородом и парциальным давлением кислорода должна была бы быть гиперболической, т. е. что кривая диссоциации была бы гиперболой.
.. Отклонение кривой диссоциации от гиперболической формы, которая наблюдается как для чистых растворов гемоглобина, так и для цельной крови, можно объяснить только, если принять, что присоединение молекулы кислорода к одному из гемов молекулы гемоглобина влияет на способность другого гема той же молекулы гемоглобина присоединять кислород.
Из экспериментальной формы кривой диссоциации (S-образная форма) ясно, что при постепенном повышении парциального давления кислорода от нуля присоединение первых порций кислорода облегчает присоединение последующих.
Таким образом, оксигенация одного из гемов молекулы гемоглобина, очевидно, должна облегчать оксигенацию одного или нескольких гемов той же молекулы гемоглобина. Это явление мы будем называть гем - гем взаимодействием. Природу гем - гем взаимодействия легко объяснить на основе приведенных выше данных о строении гемоглобина и оксигемоглобина. В гемоглобине плоскости гемов расположены параллельно друг другу и под углом к поверхности глобина, попарно с каждой стороны молекулы белка. Благодаря сильному межмолекулярному взаимодействию соседние темы должны взаимно стабилизировать друг друга в таком положении. Кроме того, один из гемов частично экранирует своего соседа и мешает подходить к нему молекуле кислорода. После того как к одному из гемов присоединится кислород, плоскость гема приблизится к поверхности глобина, и взаимодействие между этим гемом и его соседом нарушится. Это должно облегчить присоединение кислорода к соседнему тему. Строгий анализ формы кривой диссоциации, действительно, показывает, что гемы взаимодействуют попарно. Вполне понятно, что у миоглобина, содержащего по одной молекуле гема на каждую молекулу белка, гем - гем взаимодействие отсутствует и кривая диссоциации имеет гиперболическую форму.
Если гемоглобин крови частично превращен в метгемоглобин или карбоксигемоглобин, это значит, что в части молекул гемоглобина один или несколько гемов превратились в гемин или присоединили СО. Как и в случае оксигенации, это должно привести к приближению этих гемов к поверхности белка и нарушению гем - гем взаимодействия. Поэтому для оставшихся «неиспорченными» гемов кривая диссоциации должна приближаться к гиперболической форме, что и наблюдается. Это обстоятельство в значительной мере усугубляет течение метгемоглобинемии и отравления окисью углерода. При этих патологических состояниях не только часть гемов выключается из транспорта кислорода, но и остающиеся гемы хуже отдают кислород тканям (уменьшается артерио-венозное различие в содержании кислорода). Подробно этот вопрос будет рассмотрен в главе, посвященной анемическому типу гипоксии.
Изучение кривой диссоциации оксигемоглобина и ее производных дает ценнейший материал для суждения о качестве механизма, осуществляющего перенос кислорода и отдачу его тканям. При этом следует в первую очередь оценить характер кривой: S-образной или гиперболический, наличие отклонений вправо или влево, вверх или вниз, с полной потерей S-образности или без нее. В условиях патологии особо важное значение приобретают перемещение точки максимума, расположения точек артерий и вен, варианты артерио-венозного различия содержания кислорода не только в количественном отношении, но и при соответствующем учете величины парциального давления кислорода. Наконец, изменения формы кривой диссоциации могут также служить показателем структурных изменений гемоглобина. Точный анализ указанных выше величин позволяет глубже проникнуть в механизм связей гемоглобина с кислородом и характер отдачи кислорода тканям.

Дата добавления: 2015-05-10