7.5.2. Пигменты крови

Пигментами называются вещества различной химической структуры, обладающие определенным цветом и окрашивающие среду, в которой они находятся. Цвет пигментов обусловлен наличием в их молекулах хромофорных групп, поглощающих свет определенной длины волны. Выполняемые пигментами физиологические функции разнообразны. Основные из них — перенос и депонирование 0₂ и СО₂, участие в тканевом дыхании, в окислительно—восстановительных реакциях. В процессе эволюции внутренней среды появилось несколько типов таких пигментов. Все они являются белками, содержащими металл.

Рис. 7.7 Молекула гемоглобина и формула гема

 

Гемоглобин, миоглобин, гемеритин, хлоркруорин содержат железо, гемоцианин — медь, гемованадин — ванадий. Важнейшими из пигментов являются хромопротеиды. Это белки, молекула которых состоит из белка и окрашенной простетической группы. В качестве простетической группы многие пигменты содержат металлопроизводные порфиринов.

Порфирины привлекают особое внимание. Это связано с тем, что они входят в основной пигмент крови — гемоглобин и в зеленый пигмент растений — хлорофилл. В плазме крови беспозвоночных животных обнаружены железопорфирин—дыхательные пигменты. В крови и лимфе многих беспозвоночных имеются голубые или зеленовато—голубые дыхательные пигменты, содержащие медь. В состав окрашенного белка цитокупреина включены медь и цинк.

Гемоглобин. Гемоглобин является наиболее распространенным кровяным пигментом. Он содержится в эритроцитах всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных (черви, моллюски, членистоногие, иглокожие), а также в корневых клубеньках некоторых бобовых растений. Многие свойства гемоглобина зависят от особенностей его химического строения. Молекулярная масса гемоглобина эритроцитов человека составляет 64,5 кДа.

В одном эритроците находится около 400 млн. молекул гемоглобина. В состав гемоглобина входят соединенные между собой гистидиновым мостиком простои белок глобин и пигментная группа гем (рис. 7.7) в соотношении 96 и 4 % от массы молекулы соответственно. Молекула гемоглобина содержит четыре одинаковые группы гема. Глобин представляет собой белок типа альбумина. У разных видов животных он отличается по своему аминокислотному составу что определяет различие в свойствах гемоглобина. Строение гема одинаково у всех видов животных. Он построен из пиррольных колец и содержит двухвалентное железо (рис. 7.7). Именно железо играет ключевую роль в деятельности гемоглобина, являясь его активной прocmemuчecкoй группой. Одна из валентностей железа реализуется при связывании гема с глобином, ко второй присоединяется О₂ или другие лиганды — вода, С0₂, азиды. Белковая и простетическая части молекулы не только связаны, но и постоянно оказывают друг на друга сильное влияние. Глобин изменяет свойства гема определяя его способность к связыванию кислой рода. В свою очередь, гем обеспечивает устойчивость глобина к действию физических факторов, расщеплению ферментами и т. д.

Количество гемоглобина в крови подвержено индивидуальным колебаниям. Средней нормальной величиной у человека считают 140 г/л крови, что, например, для индивидуума массой 65 кг составляет более 600 г. Высчитано также что 1 г гемоглобина содержит 3,5 мг железа, и, таким образом, во всех эритроцитах организма его находится 2,1 г.

В процессе переноса кислорода гемоглобин превращается в оксигемоглобин (HbO₂). Для того чтобы специально подчеркнуть, что при этом соединении валентность железа не меняется, реакцию связывания кислорода с гемоглобином называют не окислением, а оксигенацией. Противоположный процесс именуют дезоксигенацией. В том случае, когда необходимо акцентировать внимание на том, что гемоглобин не связан с кислородом, широко употребляют термин дезоксигемоглобин.

Оксигемоглобин (НbО₂) имеет ярко—алый цвет, что и определяет цвет артериальной крови. Образование оксигемоглобина происходит в капиллярах легких, где напряжение 0₂ высоко. Количество гемоглобина в эритроцитах обусловливает кислородную емкость крови. Следовательно, кровь человека, содержащая около 600 г оксигемоглобина, будучи вся насыщена кислородом, может связать более 800 см³ O₂. Кислородную емкость выражают как количество кислорода, связываемое 1 см³ крови. Соответственно этому кислородная емкость нормальной крови, содержащей в каждом кубическом сантиметре 0,14 г гемоглобина, составляет около 0,190 см³ 0₂.

В отличие от капилляров легких, в капиллярах тканей кислорода меньше, его напряжение ниже и здесь оксигемоглобин распадается на гемоглобин и кислород. Гемоглобин, отдавший кислород, называют восстановленным, или редуцированным, гемоглобином (Нb). Именно он определяет вишневый цвет венозной крови. Следовательно, гемоглобин представляет собой своеобразное химическое вещество, вступающее в обратимое соединение с кислородом при любом его напряжении. Способность гемоглобина связывать и отдавать кислород отражается кислородно—диссоциационной кривой. Эта кривая характеризует процент насыщения гемоглобина кислородом в зависимости от его напряжения (Ро₂).

По мере того как кровь проходит через ткани и отдает 0₂, она попутно вбирает в себя конечный продукт окислительных обменных процессов в клетках — СO₂. Реакция связывания гемоглобина с СО₂. сложнее, чем присоединение 0₂. Это объясняется прежде всего ролью СO₂ в создании кислотно—щелочного равновесия в организме. Механизмы, обеспечивающие транспорт газа, призваны также поддерживать и это равновесие. Гемоглобин, связанный с С0₂, называют карбогемоглобином.

Гемоглобин особенно легко соединяется с угарным газом — оксидом углерода — СО. Происходит образование карбоксигемоглобина (НЬСО), не способного к переносу 0₂. В этом случае закономерности его реакции те же, что и для кислорода, но химическое сродство СО к гемоглобину почти в 300 раз выше, чем к 0₂, Это означает, что достаточно в воздухе оказаться небольшому количеству СО, чтобы произошло образование значительного числа связанных молекул гемоглобина. Образовавшееся соединение — блокированный угарным газом гемоглобин — уже не может служить переносчиком кислорода. Так, при концентрации СО в воздухе, равной 0,1%, около 80% гемоглобина крови оказываются связанными не с кислородом, а с угарным газом. В результате в организме возникают тяжелые последствия кислородного голодания (рвота,

головная боль, потеря сознания).

Слабые отравления угарным газом являются процессом обратимым: СО постепенно отщепляется и выводится при дыхании свежим воздухом. Использование искусственного дыхания чистым кислородом ускоряет примерно в 20 раз эту реакцию. При концентрации СО, равной 1%, через несколько минут наступает гибель организма. В нормальных условиях на долю НЬСО приходится лишь 1% общего количества гемоглобина крови, у курильщиков его содержание достигает 3%, а после глубокой затяжки — 10%.

Гемоглобин, приведенный в соприкосновение с сильнодействующими окислителями (перманганат калия, бертолетова соль, нитробензол, анилин), образует соединение метгемоглобин (НЬОН), имеющее коричневый цвет. При этом происходит окисление железа и переход его в трехвалентную форму. В результате истинного окисления гемоглобин прочно удерживает кислород и в итоге перестает быть его переносчиком. При наследственной метгемоглобинемии происходит нарушение равновесия между процессами окисления гемоглобина и метгемоглобина и восстановления гемоглобина. Проявляется на первом году жизни синюшным цветом кожи (цианоз) и повышением содержания в крови метгемоглобина

Миоглобин. В скелетных и сердечной мышцах животных различных классов и групп находится мышечный гемоглобин — миоглобин (табл. 7.3). Это дыхательный пигмент красного цвета. По своей биохимической характеристике миоглобин близок к гемоглобину крови. Сходство выражается в наличии одной и той же простетической группы, одинакового количества железа в способности вступать в обратимые соединения с О₂ и CO₂. Однако кислородо—связывающие свойства миоглобина значительно отличаются от таковых гемоглобина. В связи с меньшей, чем у гемоглобина, плотностью у него резко возрастает сродство к кислороду. Поэтому миоглобин исключительно приспособлен к депонированию О₂. Это имеет большое значение для снабжения кислородом мышц, особенно производящих ритмические сокращения в течение длительных периодов времени: мышц крыльев птиц, мышц конечностей теплокровных животных, жевательных мышц, сердечной мышцы. При деятельности всех этих мышц в фазе сокращения происходит пережатие капилляров, так что кровоток через ткань в эту фазу фактически прекращается. Именно в этот момент миоглобин служит важным источником кислорода, так как он «запасает» О₂ при расслаблении и отдает его во время сокращения мышц. Благодаря высокому сродству к кислороду полунасыщение им миоглобина происходит в обычных условиях быстрее чем за 0,1 с.

В сердце теплокровного животного содержится около 0,5% миоглобина. При падении напряжения O₂ с 40 до 5 мм рт. ст. это количество высвобождает 2 мл O₂ на каждый 1 г ткани сердечной мышцы. Такого объема газа оказывается достаточно, чтобы покрыть потребности сердца в кислороде во время систолы.

У животных содержание миоглобина зависит от видовой принадлежности условий существования, типа мышцы и степени ее активности. Определенное значение имеет и трофическая иннервация автономной нервной системой.

Таблица 7.3 Содержание миоглобина в сердечных и скелетных мышцах некоторых классов позвоночных животных, г на 100 г сухой ткани Класс, группа животных, человек Мышца сердца Скелетная мышца Рыбы 0,2—0,5 0,1—0,4 Амфибии 0,1—0,6 0—0,1 Рептилии 0,8—2,6 0.2—2,4 Птицы домашние   1,0—2,0 0,9—1,8 Птицы дикие 2,1—6,5 0,7—5,3 Млекопитающие домашние 0,9—4,4 0,2—8,5 Млекопитающие дикие 1,1—6,2 0,02—5,13 Человек 1,5 1,4—3,9

 

Особенно высокое содержание миоглобина характерно для водных животных, некоторых беспозвоночных (красные мышцы моллюсков), птиц (гладкая мускулатура мышечного желудка). В нормальных условиях в крови и моче миоглобин отсутствует.

Спектральный анализ гемоглобина и его производных. Использование спектрографических методов при рассмотрении раствора оксигемоглобина выявляет в желто—зеленой части спектра между фраунгоферовскими линиями D и Е две системные полосы поглощения, у восстановленного гемоглобина в той же части спектра имеется лишь одна широкая полоса. Различия в поглощении излучения гемоглобином и оксигемоглобином послужили основой для метода изучения степени насыщения крови кислородом — оксигемометрии.

Карбгемоглобин по своему спектру близок к оксигемоглобину, однако при добавлении восстанавливающего вещества у карбгемоглобина появляются две полосы поглощения. Спектр метгемоглобина характеризуется одной узкой полосой поглощения слева на границе красной и желтой части спектра, второй узкой полосой на границе желтой и зеленой зон, наконец, третьей широкой полосой в зеленой части спектра.