Лекція № 2. ХІМІЯ БІЛКІВ

Курс лекцій

З дисципліни біологічна хімія з біохімічними методами дослідження

Лекція № 1. ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ БІОХІМІЇ

План лекції

Біохімія - наука про хімічний склад, властивості, обмін речовин і енергії в живих організмах, а коротше кажучи наука про хімію життя.

Основними завданнями біохімії є вивчення хімічного складу організму і структури речовин, з яких він складається, послідовності і взаємозв’язку реакцій хімічних перетворень, які характерні для живого організму і відрізняються від неживого.

Біохімія тісно пов’язана з другими науками. Наприклад, анатомія вивчає загальну будову організму, гістологія і цитологія дають уявлення про структуру клітин тканин. Сучасні методи досліджень такі, як електронна мікроскопія поглиблюють наші знання про структуру субклітинних фракцій, а іноді і окремих молекул, наприклад з використанням ізотопних методів стало можливим вивчення механізмів синтезу холестерину електрофоретичні методи дозволили вивчити склад білків та їх фракцій в різних тканинах, за допомогою спектрального налізу були відкриті фракції гемоглобіну.

Найбільш тісно біохімія пов’язана з фізіологією, що вивчає функціональний стан окремих клітин органів та організму в цілому. Але завдання і методи фізіології і біохімії відрізняються. Тісно пов'язана, біохімія з хімією, являю­чись її розділом, Всі живі об’єкти складаються з неживих молекул, підлягаючи всім фізичним законам, то біохімія нерозривно пов’язана з фізикою.

3. Принципи уніфікації клініко-біохімічних методів дослідження

Серед великої кількості сучасних методів клінічної лабораторної діагностики розрізняють наступні групи методик: хіміко-мікроскопічні методи дослідження біологічних матеріалів (сечі, калу, мокроти та ін.); методи гематологічних досліджень; методи дослідження системи гемостазу, методи клінічної мікробіології; методи клінічної імунології та методи клінічної біохімії.

Завдання клінічної біохімії полягає не лише у виявленні патобіохімічних порушень, але й у визначенні функціонального стану організму в цілому, його компенсаторно-пристосувальних можливостей, деякі питання діагностики можуть вирішуватись лише завдяки клінічній біохімії, оскільки ряд захворювань, наприклад, уроджені хвороби, а також деякі інфекційні, наприклад, епідемічний гепатит, не мають експериментальної моделі. Призначення клініко-біохімічних досліджень:

1) рання діагностика захворювань;

2) постановка диференціального діагнозу;

3) визначення тяжкості перебігу і прогнозу захворювання;

4) контроль ефективності лікування і профілактики;

5) вивчення молекулярних механізмів розвитку хвороби.

Основними об’єктами клініко-біохімічних досліджень здебільшого є біологічні рідини:кров, плазма, сироватка, лімфа, рідше - інші рідини внутрішніх середовищ організму (спинномозкова рідина, внутрішньосуглобна рідина та ін.); використовуються також екскрети, такі як сеча, жовч, слина, шлунковий та кишковий сік, кал, піт, жіноче молоко, сім’яна рідина; шматочки тканин (біоптати), взяті під час хірургічних операцій або за допомогою спеціальних пристосувань.

Найпоширенішими об'єктами біохімічних досліджень є кров і сеча, зрідка аналізуються інші рідини і екскрети, а також тканини. Основні групи біохімічних показників, які визначаються в клініці, такі:

1) вміст макромолекул, мономерів і деяких продуктів їхнього обміну;

2) активність ферментів та ізоферментів;

3) вміст вітамінів, коферментів та продуктів їхнього обміну;

4) вміст води і мінеральних речовин;

5) вміст позаклітинних регуляторів метаболізму - гормонів, гістогормонів, медіаторів та продуктів їхнього обміну.

Прагнення до освоєння нових біохімічних методів дослідження зумовило практичне використання численних методів визначення одних і тих же біохімічних показників за допомогою різних методичних прийомів або безлічі варіантів однотипних методик з різними способами.

4. Особливості біохімічних досліджень у клінічних

та клініко-біохімічних лабораторіях

У наш час у роботі біохімічних лабораторій мають місце наступні три особливості:

1. Прагнення до багатоплановості комплексного обстеження хворого з використанням декількох найбільш інформативних для первинного виду патології біохімічних показників, так званих констеляцій. Як показує досвід багатьох лабораторій, використання констеляцій упорядковує працю лікарів - біохіміків і лаборантів, є зручним для клініцистів, скорочує діагностичний період обстеження хворого.

2. Динамічне спостереження й обстеження, тобто багаторазове визначення показників.

3. Широке використання функціональних навантажувальних проб.

Останнє зумовлено тим, що завдання клінічної біохімії полягає не тільки у виявленні патобіохімічних порушень, але й у визначенні функціонального стану окремих органів і регуляторних систем, а також оцінці їхніх компесаторно-пристосувальних можливостей.

5. Принципи біохімічної діагностики захворювань

для визначення функціонального стану організму

Сучасна клінічна біохімія спрямована до комплексної, багатосторонньої і динамічної оцінки патологічного процесу на системному рівні. Це досягається завдяки визначенню багатьох показників, які характеризують обмін білків, вуглеводів, ліпідів, активність ферментів, гормонів, медіаторів та інших біологічно активних речовин.

Особливості обміну речовин у органах і тканинах дозволяють виявити вибірково їх пошкодження, використовуючи для цього комплекс найбільш специфічних і найінформативніших тестів. Серед показників, які характеризують стан білкового обміну найчастіше досліджують вміст загального білка в сироватці крові, білкові фракції, різні осадові проби. Досліджуються також низькомолекулярні азотисті речовини: сечовина, сечова кислота, креатин, амінокислоти і пептиди, індикан сечі. Як показники вуглеводного обміну досліджуються глюкоза в крові й сечі, вуглеводні компоненти глюкопротеїдів, молочна кислота, сіалові кислоти, зв’язані з білками гексози тощо.

Показниками ліпідного обмінує рівень холестерину та його ефірів, триацилгліцеринів, ліпопротеїнів, неестерифікованих жирних кислот та ін. До неорганічних компонентів,рівень яких у біорідинах досліджують клініко-біохімічні лабораторії, належать: натрій, калій, кальцій, магній, залізо, фосфор та фосфоровмісні речовини, хлор та ін. На відміну від показників, перелічених вище, для визначення яких використовується колориметрія, при визначенні рівня неорганічних елементів широкого використовуються інші фізико-хімічні методи.

Як клініко-біохімічні показники пігментного обмінудосліджуються білірубін та його фракції в сироватці крові, порфірини, порфобіліноген, копропорфірин і уропорфірин у сечі.

Серед ферментів,які мають діагностичне значення, найчастіше визначаються в сироватці крові: амінотрансферази (АСТ і АЛТ), α-амілаза, глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа, креатинкіназа, сорбітолдегідрогеназа, лужна фосфатаза. Визначення концентрації гормоніву методичному відношенні є найбільш складним розділом клінічної біохімії. Цим займаються лише спеціальні лабораторії або відділення великих клінічних лабораторій, оскільки для їх виявлення необхідні певні умови, у тому числі, використання радіонуклідів.

Використовуються також колориметричні, хроматографічні і флюориметричні методи. Відносно доступним та досить інформативним є визначення таких показників: 17-кетостероїдів і 17-оксикортикостероїдів у сечі, адреналіну, норадреналіну, ванілінмигдальної кислоти в сечі, гістаміну та серотоніну в крові.

У керівництвах, присвячених використанню біохімічних методів дослідження в клініці, поряд з описом методик, характерних тому чи іншому виду обміну, містяться данні про обмінні зміни при різних формах патології. Наприклад, біохімічні показники при захворюваннях печінки, хворобі Боткіна, гіпертонічній хворобі, атеросклерозі, інфаркті міокарду, ревматизмі, недостатності кровообігу, інфекційних захворюваннях різної етіології.

Кожне захворювання або патологічний стан організму характеризуються сукупністю біохімічних порушень які відображають різні функції органів і систем організму. Наприклад, при діагностиці цукрового діабету спочатку визначається вміст глюкози, кетонових тіл у крові та сечі, а кінцевий діагноз встановлюється за концентрацією інсуліну в крові.

Одним з раціональних шляхів діагностики, зокрема при захворюваннях печінки, може бути використання принципу синдромів, тобто сукупності біохімічних порушень, які характеризують ту чи іншу функцію печінки. Так, виділяють наступні біохімічні показники дегенерації, реактивних змін і холестазу. При дегенерації найбільш показовим є методи визначення активності трансаміназ АЛТ, АСТ. Для реактивних змін найбільш інформативними є тимолова проба, а для холестазу - білірубін, активність лужної фосфатази. Надзвичайно велике діагностичне значення має визначення в динаміці активності ферментів у крові ц при інфаркті міокарду: лактатдегідрогенази (ЛДГ), креатинфосфокензи (КФК), аспартатамінотрансферази (АСТ). Ступінь підвищення активності залежить від розмірів інфарктного осередку. Вже в перші години після інфаркту активність КФК підвищується і досягає максимум через 24 години. Дещо пізніше підвищується активність АСТ і ЛДГ.

Лекція № 2. ХІМІЯ БІЛКІВ

1. Загальна характеристика білків та їх значення в організмі

Білки є найбільш важливими органічними сполуками, що входять до складу живих організмів. Ще в минулому столітті, вивчаючи склад різних тваринних і рослинних організмів, вчені виділили речовини, які за своїми властивостями нагадують білок яйця. Так, при нагріванні вони звертаються. Це і дало ім назву білки. Підкреслючи головне значення їх в організмі, Н.Мудлер у 1838 році назвав їх протеїнами (від грецького слова перший – protos). Білки присутьні в кожній молекулі, в будь-якій її частині. В кількісному співвідношенні, вони займають І місце серед всіх макромолекул, що знаходяться в жівій клітині. В організмі їх 40-50% по масі. Значення білків для життя було відмічено Ф. Енгельсом. Він дав визначення життю, як форми існування білкових молекул.

Тому білкам можна дати таке визначення. Білки – це великий клас органічних азотовмісних сполук, що присутні в кожній клітині організму і забезпечують процеси їх життєдіяльності.

Біологічне значення білків

Білки в організмі виконують важливі функції життєдіяльності.

Каталітична функція – одна з основних функцій білків. Вісі хімічні реакції, шо відбуваються в організмі людини, каталізуються ферментами. По своїй хімічній природі ферменти є білками.

Структурна функція – білки складають приблизно 1/5 частину або 20% маси тіла. В м’язах і печінці знаходиться 22% білків, в мозку – 11%, а в жировій тканині – 6%. Білки відрізняються не тільки по кількості, а й по структурі та функціях. В крові, наприклад, присутні альбуміни та глобуліни, що представляють по формі шарики, молекули білку м’язів міозину витягнуті в довги нитки (фібрили). Основу волосся і нігтів складає керотин - білок жорсткої структури. Гемоглобін має складну структуру і транспортує кисень до органів, таканин і СО₂ в легені.

Енергетична функція – при повному розпаді одного грама булку виділяється 17,5 кдж енергії, шо вказує на здатність приймати участь в забезпеченні організму енергією. Але білки використовуються тільки тоді, коли недостатньо жирів та вуглеводів, або вони вже використані.

Транспотрна функція – група білків крові має здатність взаємодіяти з різними сполуками і транспортувати їх. Білками транспотрується нерозчинні в воді речовини, іони металів, гази або токсичні речовини (білірубін, жирні кислоти, продукти гниття білків в товстому кишечнику). Наприклад, гемоглобін транспортує кисень, трансферин - переносить залізо, ретинол – доставляє клітинам вітамін “А”.

Захисна функція – в ході еволюції організми виробили різноманітні захисні речовини. Шкіра захищає організм від різких коливань температури навколишнього середовища, сонячної радіації. Для захисту організм виробляє антитіла, які сповільнюють патогенну дію мікроорганізмів. По своїй природі антитіла є білками.

Регуляторна функція – гормони, являючись білками, приймають участь в регуляції різноманітних процесів в організмі. До них відносяться гормони гіпофізу, підшлункової залози, паращитовидної залози. Також білки приймають участь в процесах передачі спадковості. Білки підтримують онкотичний тиск, входять до складу буферних систем, впливають на кислотно-лужний баланс організму.

2. Елементарний склад білків

Білки є складними сполуками – полімерами, які складаються з простих мономерів. Клінічний аналіз показав, що наявність у всіх білках вуглецю 50-55%, водню – 6-7%, кисню – 21-23%, азоту – 15-17%, сірки – 0,2-0,3%.

В складі окремих білків були виявлені фосфор, йод, залізо, мідь і багато інших макро- та мікроелементів.

Тільки вміст азоту постійний – 16%, а вміст інших елементів може змінюватися.

Для визначення хімічної природи мономерів білку необхідно білок розбити на мономери і з’ясувати їх хімічну природу. Білок розділяють за допомогою гідролізу – кип’ятіння білка з сильними мінеральними кислотами протягом довгого часу. Природу виділених мономерів з’ясували за допомогою різноманітних хімічних реакцій. В результаті було встановлено, що мономерами білквів є амінокислоти.

3. Амінокислоти – класифікація, властивості,

біологічна роль у складі білків

В різноманітних об’єктах природи було знайденодо 200 різноманітних амінокислот. В організмі людини їх приблизно 60, а в склад білків входить тільки 20. Амінокислоти – це органічні кислоти, у яких атом водню α-вуглецю заміщений на аміногрупу NН₂.

В складі всіх амінокислот є функціональні групи – СН₂, NН₂, - СООН, а білкові ланцюги амінокислот різноманітні, хімічна природа радикалів різномианітна: від атома водню до циклічних сполук. Радикали визначають стуктурні і функціональні особливості амінокислот.

Амінокислоти в водному розчині знаходяться в іонізованому вигляді за рахунок дисоціації груп СООН і NН₂, а також функціональніх груп, що входять до складу радікалів. Вони мають амфотерні властивості і можуть виступати як донори, так і акцептори протонів.

Амінокислоти в залежності від стурктури поділяють на декілька груп: ациклічні, що не мають в своєму складі циклічних групіровок.Їх розділяють на моноамінокарбонові, моноамінодикарбонові, диаміномонокарбонові.

Моноамінокарбонові мають в своєму складі 1аміно і 1 карбоксильну групу. В водному розчині вони нейтральні. До них належить гліцин, аланін, серин, треонін, метионін. Гліцин не є оптично активним, тому що відсутній асиметричний атом вуглецю. Гліцин приймає участь в синтезі нуклеїнових кислот, жовчних кислот, гема, необхідний для знезараження в печінці токсичних речовин.

Аланін приймає участь в різноманітних процесах обміну вуглеводів і енергії.

аміно-β-гідроксопропіонова кислота відноситься до складу гідрок-сокислот, т.ч. має гідроксильну групу. Входе до складу ферментів, в склад білка молока – казеїну.

Треонін приймає участь в синтезі білку, є незамінною амінокислотою.

α-аміно-β-тіопропіонова кислота.

Має в своєму складі атом сірки. Значення цистеїну полягає в тому, що група – SH може легко окислюватись і захищати організм від речовин з високою окислювальною здатністю (вільних радікалів, радіацї, токсинів).

4. Структури білків

При вивченні складу білків було встановлено, що всі вони побудовані по одному принципу і мають 4 рівні організації: первинну, вторинну, третинну, а окремі і четвертинну структуру.

Первинна структура - представляє собою лінійний ланцюг амінокислот, розташованих в певній послідовності і з’єднаних між собою пептидними зв’язками. Пептидний зв’язок утворюється за рахунок α-карбоксильної групи однієї амінокислоти і α-аміногруп другої.

Сполуки, що складаються з двох амінокислот називаються дипиптидами, з трьох – трипептидами. Ланцюги, що складаються з багатьох амінокислот називаються поліпептидами.

В останні роки увагу клініцистів привернули пептиди, що складаються з невеликої кількості амінокислот і мають велику біологічну активність. Наприклад, у задній долі гіпофізу знаходяться 2 пептиди, що складаються з 9 амінокислот і є гормонами. Це вазопресин і окситоцин. Вазопресин стимулює кров’яний тиск і збільшує реасорбцію води в нирках. Недостатність його приводить до нецукрового діабету, при якому виділяється велика кількість сильно розведеної сечі.

Окситоцин стимулює скорочення гладкої мускулатури матки і використовується в акушерстві для стимуляції родової діяльності.

Вторинна структура – представляє собою упорядковану і компактну упаковку поліпептидного ланцюга. По конфігурації вона буває у вигляді α-спіралі і β-складчатої структури. Основу α-спіралі складає пептидний ланцюг, а радикали амінокислот спрямовані зовні, розташовуючись по спіралі. Зовні α-спіраль схожа на злегка розтягнуту спіраль електроплитки. Така форма фарактерна для білків, що мають один поліпептидний ланцюг.

Складчата β-структура представляє собою плоску форму. Вона характерна для білків, що мають декілька поліпептидних ланцюгів, розташованих паралельно. β-структура зустрічається в таких білках, як трипсин, рибонуклеаза, керотин волосся, колаген, сухожилля, які гірше розчинні у воді.

Утворення вторинної структури забезпечується водневим зв’язком. Вона утворюється при участі атому водню.

Третинна структура – представляє собою більш компактне просторове розташування поліпептидного ланцюга, точніше його вторинної структури. Форма третинної структури може бути різноманітна і визначається тим, які функції виконує білок в організмі. Третинна стурктура забезпечує виконання білком його основних функцій і може бути представлена у вигляді кульки у глобулярних білків і вигляді ниток (фібрил) у фібрилярних білків, наприклад, м’язів.

В організмі є більш складні по структурі білки, що складаються з декількох субодиниць, кожна з яких представляє собою молекулу білку зі своєю специфічною стуктурою. Таке об’єднання субодиниць називають четвертинною сткуктурою. Особливість білків з четвертинною стуктурою полягає в тому, що вони здатні проявляти свої функції і властивості при наявності всіх субодиниць.

Видалення хоча б однієї субодиниці приводить до втати властивостей білку. Четвертинна структура найчастіше зустрічається у ферментів.

6. Класифікація білків.

Прості білки та їх представники, склад, біологічна роль в організмі

Відома велика кількість білків рослинного і тваринного походження, що відрізняються за своїм складом та біологічною роллю в організмі. Для систематизації та вивчення їх запропановано декілька класифікацій:

1. По формі молекул, тобто просторова будова.

2. Фізико-хімічні властивості.

3. Хімічний склад білків.

По формі молекул білки класифікують на глобулярні і фібрілярні.

Глобілярні білки. Більшисть з них розчинні у воді. Це альбуміни та глобуліни сироватки крові, білки молока, яєць, які мають форму кулі. Правильної форми глобули не бувають, найчастіше вони мають еліпсоїдну або овальну форму.

Фібрілярні білки – велика група білків, такі як білок волосся – керотин, білок шовку – фіброгін, білок м’язів – міозин, білок крові – фібрин, мають витягнуту або фібрилярну структуру. Довжина молекул в декілька разів перевищує діаметр.

Між двома крайними формами білків є велика кількість перехідних форм – від шароподібної до веретеноподібної і волокнистої. За фізико-хімічними властивостями білки класифікують на прості і складні. Прості білки складаються тільки з залишків амінокислот. Складні – мають білкову частину, що складається із залишків амінокислот, і небілкову, що може бути представлена іонами металів, ліпідами, вуглеводами, залишком фосфорної кислоти.

Прості білки – альбуміни широко поширені в тваринних та рослинних організмах. Є основною частиною цитоплазми більшості клітин, складовою частиною крові, м’язів, молока. В залежності від походження їх називають лактоальбумінами і сіроальбумінами.

В крові вищіх тварин і людей альбуміни складають більшу частину білків плазми. Добре розчинні у воді і розчинах солей, характеризуються великою гідрофільністю та дисперсністю. Мають відносно малу молекулярну масу 60 т.в.о. Приймають участь у підтримці онкотичного тиску крові, транспортують у крові різні речовини (вітаміни, іони металів, гормони), виконують анти-токсичну функцію.

Глобуліни – дуже поширені в природі білки. На відміну від альбумінів, майже не розчинні в воді, вони більш грубо дисперсні, мають більшу молекулярну масу 160–180 т. в.о. В організмі людини та тварин вони викону-ють роль антитіл. Білок глобулінового типу фібриноген формує згусток крові. При допомозі електрофорезу глобуліни можна розділити на А, α₁, α_2, β, γ фрак-ції.

Гістони і протаніни - представляють собою основні білки ядра клітини і складають основну масу білкової частини нуклеопротеїдів.

Гістони стабілізують молекулу ДНК, підтримують унікальну структуру ДНК в ядрі, що є умовою для біосинтезу білку.

Керотини складають основну масу рогової тканини епідермісу. В їх структуру входить багато сірковмісних сполук.

Колаген – є основною складовою частиною з’єднувальної тканини. Більшисть його знаходиться в сухожиллях, зв’язках, шкірі, кістках, хрящах.

Еластин – білок з’єднувальної тканини, який є хімічно більш активний.

7. Складні білки, їх представники,склад, біологічна роль в організмі

Складні білки складаються з простого білку та небілкової частини. Клісифікують за небілковою частиною.

Нуклеопротеїди. Небілкова частина представлена нуклеїновими кисло-тами РНК та ДНК. Нуклеїнові кислоти приймають участь у передачі спадкової інформації. Білкова частина представлена протамінами та гістонами. Гістони забезпечують компактну упаковку ДНК та зберігання спадкової інформації . ДНК не може в складі нуклеопротеїда виконувати своєї основної біологічної функції – передавати закодовану спадкову інформацію без стабілізації протамінами та гістонами.

Хромопротеїди – небілкова частина, зафарбована: гемоглобін, міоглобін (білок м’язів), деякі ферменти каталази, пероксидази, цитохроми, а також хлорофіл.

Фосфопротеїди – це білки, що в небілковій частині мають залишок фосфорної кислоти. Представниками є казеїн молока, вінелін (білок жовтка яєць), іхтулін (білок ікри риб). Мають надзвичайно велеке значення для розвитку організмів. У дорослих форм присутні в кістках та нервовій системі.

Ліпопротеїди – небілкова (простетична) група представлена ліпідами. Вони умовно поділяються на розчинні у воді ліпопротеїди і протеоліпіди – жиророзчинні компоненти кліткових мембран.

Глікопротеїди. Ця назва об’єднує велику кількість сполук, що є комплексами білків з вуглеводами та їх похідними (гексуронова кислота, глікогенні амінокислоти). Група сполук, в яких білкова частина відносно слаба слабо зв’язана з вуглеводною називається мукопротеїдами (хондроітинсуль-фати, гіалуронові кислоти).

Глікопротеїди входять до складу клітинних мембран, приймають участь у транспорті різних речовин, в процесах звертання крові, імунітету, являються складовими слизу і секретів шлунково-кишкового тракту. У арктичніих риб вони виконують роль антифрізів.

Металопротеїди – комплекси білків з важкими металами. Типічний металопротеїд феритин – кристалічний білок, розчинний у воді, містить до 20% Fе. Феритин є основною формою запасу заліза в організмі і синтезується в печінці, там він відкладається про запас. Плазма людини містить розчинний білок трансферин, що входить у фракцію глобулінів вміст Fе - 0,13%. Цей білок філіологічний переносчик Fе в організмі.

Церулоплазмін містить 0,34% міді. При проведенні електрофорезу білок виявляється в α-фракції. Це білок гострої фази, зафарбований в голубий колір.

8 Гемоглобін, його види і значення в організмі

Гемоглобін (Нb) – основна складова частина еритроцитів. Складається Нb з білку глобіну (96%) й простетичної частини – гема (4% молекули). Гем предстваляє собою координаційну сполуку атому заліза з циклічною сполукою протопорфирином. В склад гему входить Fе²⁺. В склад молекули гемоглобіну входить 4 гема, атом заліза координаційно зв’язаний з 4 атомами азоту пірольних кілець. Мr Нb=64458. Молекула має форму стероїда 6,4х5нм, на поверхні якого розташовані 4 гідрофобні заглиблення, що містять гем, який має форму диску. Гем для всіх гемоглобінів однаковий і структурні зміни цього хромопротеїду зумовлені структурою білкової частини – глобіну.

Глобіни можуть мати різний склад, розрізнятися складом аміноксилот та їх послідовністю в поліпептидному ланцюзі, а також співвідношенням поліпеп-тидних лінцюгів (α і β).

З загальної кількості заліза організму (4 гр) приблизно 50% припадає на гем.

Механіз переносу кисню гемоглобіном

Засновником вчення про дихальну функцію крові є російський фізіолог І.Н. Сеченов. Вивчаючи залежність між складом повітря в легенях і вмісту СО₂ і О₂ в крові, Сеченов вперше доказав, що СО₂ переноситься не плазмою, а Нb.

Повітря, яке вдихає людина, містить 20,9% О₂ і 0,03% СО₂, тиск О₂ перевищує тиск СО₂. Така різниця сприяє дифузії кисню і зворотньому сполу-ченню його з гемоглобіном. Кожна одиниця гемоглобіну може зв’язувати одну молекулу О₂, утворюючи НbО₂ – оксигемоглобін.

Оскільки приєднання молекулярного кисню не пов’язано зі зміною валентності гему і не є окисленням, процес називається оксигенацією.

В Нb декілька місць зв’язування молекулярного кисню і насищення його киснем відбувається не одночасно. Зі збільшенням місць, занятих киснем, спорідненість до нього вільних електронів зростає, що прискорює процес оксигенації, такий процес має кооперативний характер.

При дисоціації НbО₂ його спорідненість до кожної слідуючої молекули О₂ зменщується, що сприяє вивільненню О₂ в тканинах.

Серед факторів, що впливають на спорідненість Нb до О₂ має значення концентрація протонів водню, концентрації СО₂, органічних фосфатів. Оксигенація супроводжується вівільненням протонів Н з оксигемоглобіну в середовище, а деоксигенація приєднання протонів до гемоглобіну, що дуже важливо в капілярах тканин, куди поступає велика кількість продуктів метаболізму.

В артеріальній крові, де О₂ міститься 19-20%, тиск досягає 75-100мм.рт.ст., а в тканинній рідині 20-40 мм.рт.ст., що сприяє дисоціації оксигемоглобіну і засвоєння О₂ тканинами. Кисень реагує в тканинах з дихальим залізовмістним пігментом цитохромоксидазою і через систему ферментів окислює водень субстратів з утворенням НbО₂.

Утворення НbО₂ залежить від парціального тиску кисню у повітрі. Коли тиск знижується, кількість НbО₂ зменшується. Це явище називається гіпокксемією. При недостатку О_{2 в} в крові може виникнути недостаток його в тканинах – гіпоксія. Розрахунками встановлено, що при наявності в повітрі 20,9% кисню приблизно 99% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при наявності 10% О₂ – 90% Нb зв’язується в оксигемоглобін, при 2,5% О₂ –тільки 50% Нb зв’язується в оксигемоглобін. Це свідчить про те, що в організмі людини є величезні адаптаційні можливості. І.М.Сеченов доказав, що зменшення парціального тиску у альвеолах від 80 до 20 мм.рт.ст. може викликати таке зниження кількості гемоглобіну. що призводить до смерті.

Границею тиску, при якому може існувати людина є 30% від норми атмосферного тиску. Це приблизно 8 км над рівнем моря. Основна причина гірської хвороби – недостаток кисню, але свою роль відіграє СО₂ і - гіпоксемія. В тяжких умовах гіпоксемія може перейти в аноксію, зупинитися дихання в тканинах і наступить смерть.

Метгемоглобін

Містить в своєму складі Fе³⁺. В молекулі О₂ замінюється гідроксильною групою ОН^-, і він не може транспортувати кисень. В крові дорослої людини невелика кількість його 0,3-3 г/л. Фізіологічно він грає захисну роль, зв’язує і знезаражує ціаніди, перетворюючи їх в нешкідливий комплекс, в крові може зв’язувати до 1/3 ціанідних ядів. Крім того знезаражує сірководень, масляну кислоту, тобто має виражену антиоксидантну дію, руйнує токсичні для організму перекисні сполуки. При цьому НbН відновлюється в нормальний гемоглобін. Здатність відновлювати НbН має аскорбінова кислота (вітамін С).

Карбоксигемоглобін

Утворюється при отруєнні СО. Оскільки спорідненість СО до Нb в 300 разів вижче ніж у О₂ , то навіть в невеликих кількостях він швидко з’єднується з Нb. Так, при концентрації СО у повітрі 0,07%, 50% Нb перетворюється в карбоксигемоглобін, а при наявності у повітрі 1% СО фактично весь Нb перетворюється у карбоксигемоглобін. У боротьбі з гіпоксемією використовується оксигенотерапія. Вона часто поєднується з добавкою до О₂ СО₂ (95% О₂ + 5%СО₂ ). Підвищення тиску О₂ у крові сприяє відновленню гемоглобіну з метогемоглобіну і карбоксигемоглобіну, а СО₂ подразнює дихальний центр, підсилює вентиляцію легень і надходження О₂ в тканини.

Міоглобін – це хромопротеїд м’язів, він складається тільки з одного ланцюга анологічного субодиниці гемоглобіну. Це дихальний пігмент м’язів, він значно краще з’єднується з киснем, але трудніше його віддає. Міоглобін створює запаси кисню в м’язах, де його кількість може досягти 14% всього кисню організму. Це має велике значення для роботи серцевого м’яза. Високий вміст міоглобіну в організмах морських ссавців.