Реферат: Функции гемоглобина в неповрежденных эритроцитах миноги: роль мембраны эритроцитов в регуляции газового транспорта и кислотно-основного баланса

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">Реферативная работа по биохимии

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">студента 2-го курса биолого-почвенногофакультета

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">Санкт-Петербургского ГосударственногоУниверситета

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; font-weight:normal;font-style:normal">Розова Станислава Владимировича

по теме:

Функции гемоглобина в неповрежденных эритроцитах миноги:роль мембраны эритроцитов в регуляции газового транспорта и кислотно-основногобаланса.

<span Times New Roman",«serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">

Введение

Гемоглобин имеет важнейшеебиологическое значение как наиболее широко распространенный среди современныхживотных дыхательный пигмент, обладающий уникальными свойствами, связанными странспортом кислорода и углекислоты.

Одна из важнейших функций организма, определяющая характер и уровеньэнергетических процессов,— дыхание или обеспечение его кислородом.Осуществляется эта функция, как известно, неодинаково у различных группживотных. Малоактивные животные (простейшие, губки, кишечнополостные, некоторыечерви, моллюски, ракообразные) обеспечиваются кислородом путем простой диффузиичерез поверхность тела. Высокоактивные животные, нуждающиеся в большихколичествах кислорода, обладают соответствующими эффективными механизмами,обеспечивающими поступление кислорода в организм. В частности, насекомые инекоторые другие представители членистоногих обладают трахейной системой,пронизывающей все тело и доставляющей кислород непосредственно тканям и клеткамсамых отдаленных от поверхности частей тела. Это чрезвычайно эффективныйспособ, обеспечивающий высокий уровень энергетических процессов в организмеэтой группы животных.

Принципиально отличен от первых двух способобеспечения организма кислородом при помощи дыхательных пигментов крови(позвоночные животные, некоторые черви) или гемолимфы (часть червей,ракообразных, моллюсков). В то время как при дыхании через поверхность тела ипри помощи трахей кислород доставляется непосредственно клеткам тела, упигментсодержащих животных кислород из органов аэрации доставляется клеткамтела посредством дыхательных пигментов крови или гемолимфы.

Следовательно, помимо органовдыхания, в которых происходит обмен газов, у этой группы животных кровьсодержит особые вещества — дыхательные пигменты, способные связывать кислород.Кроме того, у них имеется сосудистая система, по которой движется кровь,вступая в контакт со всеми частями тела.                                        

В настоящее время известночетыре дыхательных пигмента, встречающихся в организме современных животных:гемоглобин, гемоцианин, хлорокруорин и гемэритрин. Из них только гемоцианинсодержит медь, в состав остальных входит железо. Близко родственны по структурегемоглобин и хлорокруорин.

Гемоглобин является основнымдыхательным пигментом, распространенным среди всех групп животных

Структура гемоглобина

В состав молекулы гемоглобина входят четыре одинаковые гемовые группы.Гем представляет собой протопорфирин,содержащий центрально расположенный ион двухвалентного железа. Молекула протопорфиринасостоит из четырех пиррольных колец, связанныхметиновыми мостиками; к кольцам присоединеныбоковые цепи характерного строения. Ключевую роль в активности гемоглобинаиграет ион железа, расположенный в центре молекулы протопорфирина. Соединение сэтим ионом посредством двух координационных связей и двух связей,образовавшихся вследствие замещения водорода, превращает протопорфирин в гем.Структура гема целиком расположена в одной плоскости. В процессе переносакислорода гемоглобином молекула Од обратимо связывается с гемом, при этомвалентность железа не изменяется.

Присоединяя кислород, гемоглобин(Hb) превращается в оксигемоглобин (HbOx). Чтобы подчеркнуть тот факт, чтовалентность железа при этом связывании не меняется, реакцию называют неокислением, а оксигенацией; обратныйпроцесс называется дезоксигенацией.Когда хотят специально отметить, что гемоглобин не связан с кислородом, егоназывают дезоксигемоглобином.

Гем может подвергаться не только оксигенации, но и истинному окислению. Приэтом железо переходит из двухвалентного состояния в трехвалентное. Окисленныйгем называется гематином(мет-гемом), а вся полипептидная молекула в целом – метгемоглобином. В крови человека метгемоглобин содержится внезначительных количествах, но при некоторых заболеваниях и отравленияхопределенными ядами его содержание возрастает. Опасность таких состояний заключаетсяв том, что окисленный гемоглобин не способен переносить кислород к тканям.

Видовые свойства гемоглобинов крови различных животных (различные формыкристаллов, сродство гемоглобина к кислороду и др.) определяются особенностямиглобина, так как гемы всех исследованных гемоглобинов оказались идентичными.

Гемоглобинминоги

Функционирование гемоглобина в эритроцитах миногипредлагает уникальное среди позвоночных решение газового транспорта. Гемоглобинминоги в неповрежденных эритроцитах находится в олигомерноммономерномравновесии и обладает сходным с остальными активными рыбами кислороднымсродством. Проницаемость мембраны эритроцитов миноги для кислотных и основныхэквивалентов очень низка и таким образом бикарбонат плазмы не может вдостаточной степени дегидрироваться до CO2 пока кровь находится вжабрах. Это потенциальное ограничение на выведение CO2преодолевается высоким внутриэритроцитарным pH и изменениями pH внутриэритроцита связанными с оксигенацией из-за относительной непроницаемостимембраны эритроцитов для кислотных эквивалентов внутриэритроцитарный гемоглобинне принимает участие в кислотно-основном забуферивании внеклеточногокомпартмента. Вследствие этого внеклеточные кислотные заряды вызывают заметныеизменения pH плазмы.

Функции гемоглобина миног в основном изучались в разбавленныхрастворах. На основании этих исследований ясно, что гемоглобин миноги врастворах показывает как кооперативность, так и эффекты Бора и Хэлдена. Крометого, сродство гемоглобина к кислороду у миноги зависти от концентрациигемоглобина в растворе. Это открытие, а так же наблюдение, что молекулярнаямасса деоксигенированного гемоглобина больше, чем оксигенированного показывают,что в миногах кооперативность связывания кислорода и влияние протонов насродство гемоглобина к кислороду вызваны обратимыми реакциямиассоциациидиссоциации олигомеровмономеров. Это явление противоположноситуации с гемоглобином у всех других позвоночных, у которых эти эффектыявляются результатом конформационных изменений тетрамерной молекулы.

Поведение гемоглобина миноги в растворе может бытьобъяснено следующей моделью: димернаяолигомерная форма молекулы имеет низкоесродство к кислороду вследствие ограничений, следующих из взаимодействий междусубъединицами. В димере связывание кислорода ослабляет эти взаимодействия, молекуладиссоциирует на субъединицы, вследствие чего сродство к кислороду каждойсубъединицы возрастает. Вероятно, что дистальный гистидин (Е7) вовлечен валлостерический переход: в мономерной форме он находится во внутренней позициивнутри гемового кармана (где он может образовывать водородную связь скислородом), а в димерной форме гистидин (Е7) находится в наружном положении(где он формирует водородную связь с аспартатом и глутаматом соседнеймолекулы). Эффект Бора в таком случае объясняется различием междузначениями  pK гистидина во внутреннемположении (5,5-6,0) и во внешнем (ок. 8,0).

До недавнего времени было затруднительноинтерпретировать данные по связыванию кислорода цельной кровью на основеповедения гемоглобина в растворе: например, сродство крови миноги к кислородуоказалось намного больше, чем ожидаемое на основании поведения гемоглобина врастворе, а так же численное значение фактора Бора, оцененное для всей кровиоказалось намного ниже, ожидаемого на основании данных из раствора. 

Противоречие между данными по связыванию кислородагемоглобином в растворах и в эритроцитах было разрешено после открытияуникального среди позвоночных свойства мембраны эритроцитов миноги: еепроницаемость для кислотных и основных эквивалентов, а так же для хлорида оченьнизка. Вследствие очень незначительного пассивного транспорта кислотныхэквивалентов через эритроцитарную мембрану внутриклеточные значения pHподдерживаются на высоком уровне в основном Na+/H+ обменом через мембрану.

Это уникальное свойство мембраны влияет нафункционирование гемоглобина в эритроцитах миноги, на газовый транспорт икислотно-основную регуляцию.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">

Сродство гемоглобина ккислороду у миноги

                Сродствогемоглобина к кислороду у миноги такое же, как и у других активных рыб.Поддержание этого сродства к кислороду требует, чтобы внутриэритроцинарный pHсохранялся на более высоком уровне, чем у костных рыб.  Lampetra fluviatilis и Petromyzon marinusподдерживают внутриэритроцитарный pH используя механизм, подобныйнатриево-протоновому обмену.

Кооперативность связывания кислорода

Деоксигенированный гемоглобин миноги находится волигомерной форме, обладающей низким сродством к кислороду, котораястабилизирована при низких значениях pH (при очень низком pH диссоциация ненаблюдается). При увеличении значений pH взаимодействия между индивидуальнымицепочками олигомеров ослабляются, и оксигенация вызывает диссоциацию обладающихнизким сродством к кислороду олигомеров на обладающие высоким сродствоммономеры. Чем выше значение pH, тем ниже требуемое для диссоциации олигомеровпарциальное давление CO2.

Эффект протонов на функции гемоглобина

<img src="/cache/referats/8593/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1027">            Ранние исследования влияния pH на кислород-связывающиесвойства крови миноги допускали, что фактор Бора мал (примерно от -0,1 до-0,3). Однако в тех исследованиях сродство гемоглобина к кислородурассматривалось как функция от внеклеточного pH, поскольку в то времяуникальность регуляции внутриклеточного pH в эритроцитах миноги не былаизвестна. Более поздние исследования, в которых изменение сродства к кислородусоотносили с внутриклеточным pH показали, что фактор Бора достаточно велик. УPetromyzon marinus при 10<span Tahoma",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; layout-grid-mode:line">°

С и pHi=7.3-7.6 значение фактора Бора (DlogP50/DpHi) оказались равны –0,63, а в Lampetrafluviatilis при 18°С и при pHi=6,7-8,0 фактор Бораравен 1,03. Для Lampetra fluviatilis это значение показывает освобождениеодного протона на один мономерный гемоглобин. Подобное же значение былополучено на основе небикарбонатной буферной способности эритроцита,внутриэритроцитарной концентрации гемоглобина и внутриклеточных изменений pHпри оксигенации. Таким образом эффект Бора гемоглобина миноги происходит из-завыпуска одного протона на одну цепочку гемоглобина при оксигенации.

У миноги эффекты Бора иХэлдена ориентированы на транспорт CO2. Эффект Хэлдена в интактныхэритроцитах миноги настолько велик, что внутриэритроцитарный pH венозной кровивыше, чем артериальной. Роль эффекта Хэлдена в транспорте CO2 кровьюминоги становится ясной, если рассмотреть механизм этого транспорта. Вследствиеотносительной непроницаемости мембраны эритроцитов миноги для бикарбоната идругих кислотно-основных эквивалентов, карбоангидраза, содержащаяся вэритроците недоступна для бикарбоната плазмы. Вследствие этого только небольшойпроцент бикарбоната плазмы может быть превращен в CO2 внекатализируемой реакции дегидратации, когда кровь проходит через жабры,потому, что полупериод некатализируемой реакции равен 1 минуте при 15  °С, авремя пребывания крови в жабрах всего несколько секунд. Таким образом,большинство удаляемого из крови CO2 в жабрах приходит изэритроцитарных бикарбонатных запасов и эффективность транспорта CO2зависит от того, какое его количество эритроциты смогут загрузить в тканях ивыгрузить в жабрах. Главные факторы, влияющие на это: изменение давления CO2в кровообращении и кривые диссоциации CO2. На основании кривыхдиссоциации CO2 для деоксигенированных и оксигенированныхэритроцитов Lampetra fluviatilis понятно, что более 80 % уменьшения содержания CO2в эритроцитах может быть приписано к зависящему от оксигенации уменьшениюсодержания CO2 и менее  чем 20%-к уменьшению давления CO2. Оксигенация не влияет на содержание CO2в плазме. Зависящее от оксигенации уменьшение внутриэритроцитарного содержания CO2полностью объясняется зависящим от оксигенации уменьшением внуриэритроцитарногоpH, вызванным эффектом Хэлдана. Таким образом, основываясь на данных in vitroможно сказать, что эффекты Бора и Хэлдана определяюще влияют на транспорт CO2кровью миноги. Хотя данные in vivo немного отличны, они так же показывают ведущуюроль эритроцитов миноги в экскреции CO2 в сравнении: только 15 %выводимого CO2 у радужной форели происходит из эритроцитов.

Из-за высокого венозноговнутриэритроцитарного pH (на 0.15-0.2 ед. выше, чем в артериальной) уPetromuzon marinus CO2 эффективно загружается в эритроцитарныезапасы, в основном в виде бикарбоната. Вследствие уменьшения давления CO2крови в жабрах, а так же, вследствие уменьшения внутриэритроцитарного pH из-завысвобождения протонов благодаря оксигенации гемоглобина, CO2интенсивно выгружается в жабрах. Таким образом, уменьшение общего содержания CO2при прохождении крови через жабры у миноги подобно таковому у активных костныхрыб, таких как радужная форель, за исключением того факта, что бикарбонатплазмы у миноги играет очень ограниченную роль в выведении CO2 из-замедленного проникновения бикарбоната через мембрану.

Влияние концентрациигемоглобина на его функционирование

В разбавленных растворахсродство к кислороду гемоглобина миноги заметно зависит от его концентрации. Увеличениеконцентрации уменьшает сродство благодаря возрастанию процентанизкосродственных олигомеров. Так как гемоглобин в интактных эритроцитахпоказывает кооперативность и эффект Бора, вероятно, реакцииассоциациидиссоциации гемоглобина протекают также и в эритроците. Если этоимеет место, то сродство гемоглобина к кислороду должно зависеть от измененияклеточного объема (которое влияет на внутриклеточную концентрацию гемоглобина).Эта зависимость была проверена экспериментально путем осмотического сжатияклеток и последующего измерения P50. Результаты показали уменьшение сродства суменьшением объема клетки. Кроме этого уменьшения сжатые эритроциты обычноимеют более высокий pH, чем эритроциты с нормальным объемом. Таким образом,концентрационные изменения оказываются способными вызывать изменения вагрегации молекул гемоглобина и, следовательно, сродства гемоглобина ккислороду. Пока не ясно, являются ли подобные изменения объема частьюнормальной физиологической регуляцией функции гемоглобина, однако данные обадаптировавшихся к гипоксии Lampetra fluviatilis показывают, что средняяконцентрация гемоглобина в эритроците становится ниже, после недели адаптации кгипоксии, чем при нормоксии.

Ограничение буферныхсвойств гемоглобина вследствие низкой проницаемости мембраны эритроцитов миногик кислотным эквивалентам.

<img src="/cache/referats/8593/image004.jpg" v:shapes="_x0000_s1030">
            Общаясхема забуферивания внеклеточных кислотных зарядов у позвоночных такова:входящий в плазму протон реагирует с ионом бикарбоната и образует CO2и Н2О. Образовавшийся СO2 диффундирует в эритроцит и гидратируетсядо бикарбоната и протона. Протоны поглощаются внутриклеточным буфером (вособенности гемоглобином), а бикарбонат может покинуть клетку черезанионобменник, таким образом, пополняя внеклеточныебуферные запасы. Хотя эритроциарная буфернаяспособность у миног существует, эта схема к ним не применима из-за медленногопрохождения бикарбоната через мембрану эритроцита, следовательно, внеклеточныекислотные заряды могут быть забуференны только буфером плазмы, анебикарбонатная буферная способность плазмы очень низка.  Таким образом, внеклеточные кислотные зарядывызывают заметные изменения pH крови (внеклеточного pH) миног. Например,выдержка Lampetra fluviatilis в течение 24 часов при pH=4,0 вызвала уменьшение pHплазмы на 0,9 ед., а подобные действия с радужной форелью вызвали уменьшениевсего на 0,1-0,3 ед.

Заключение

Функционирование гемоглобинав эритроцитах миноги предлагает уникальное среди позвоночных решение газовоготранспорта. Кооперативность связывания кислорода и влияние протонов на сродствогемоглобина к кислороду проявляются у миноги из-за реакциидиссоциацииасоциации молекул гемоглобина. Вследствие низкой проницаемостимембраны эритроцитов для бикарбоната только небольшая часть бикарбоната плазмыможет быть дегидрирована до СO2 в течение пребывания крови в жабрах.Однако это ограничение преодолевается высоким внутриклеточным pH и заметнымиизменениями pH, связанными с оксигенацией. Таким образом, эффективностьэкскреции CO2 увеличивается.

Хотя транспорт О2и CO2 кровью миноги так же эффективен, как у активных костных рыб,забуферивание внеклеточных кислотных зарядов неэффективно (из-занепроницаемости мембраны эритроцитов для кислотных эквивалентов). Какследствие: внеклеточные кислотные заряды вызывают заметные колебания pH плазмыу миног.

Таким образом, главноепреимущество, полученное, вследствие эволюции анионного обмена, связано не сгазовым транспортом, а с буферной системой крови.

Список используемой литературы.

1. Марри, Р., Греннер, Д.,Мейес, П., Родуэлл, В., (1993) Биохимия человека ., Москва. изд. «Мир»

2. Шмидт, Р., Тевс, Г., (1996)Физиология человека., Москва. изд. «Мир»

3. Коржуев П. А.  (1964) Гемоглобин: сравнительная физиология ибиохимия., Москва. изд. «Наука»

4. Nikinmaa, M., Airaksinen,S., Virkki, L. V., (1995) Haemoglobin function in intact lamprey erythrocytes:interactions with membrane function in the regulation of gas transport andacid-base balance. J. Exp. Biol.

5. Ferguson, R. A. Sehdev, N.Bagatto B. Tufts  B. L. (1992) In vitrointeractions betveen oxygen and carbon dioxide transport in the blood of thesea lampry (Petromyzon Marinus)., J. Exp. Biol.

еще рефераты
Еще работы по медицине