Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Глобулярные белки: структура и функция гемоглобина
Гемоглобин служит также переносчиком СО2 и ионов Н+

Кроме переноса кислорода от легких к тканям гемоглобин осуществляет перенос двух конечных продуктов тканевого дыхания, Н⁺ и СО₂, доставляемых из тканей к легким и почкам-двум органам, обеспечивающим выделение этих продуктов. В клетках периферических тканей органическое топливо окисляется в митохондриях с использованием кислорода, доставляемого гемоглобином из легких; при этом в качестве продуктов образуются углекислый газ, вода и другие соединения. Образование СО₂ приводит к повышению в тканях концентрации ионов Н⁺ (т. е. к понижению pH), поскольку при гидратации СО₂ образуется Н₂СО₃-слабая кислота, диссоциирующая на ионы Н⁺ и бикарбонат-ионы

Н₂СО₃⇄ Н⁺ + НСО^-₃.

Гемоглобин переносит значительную долю (около 20%) общего количества СО₂ и ионов Н⁺, образующихся в тканях и поступающих в легкие и почки.

Много лет назад было обнаружено, что на связывание кислорода гемоглобином очень сильное влияние оказывает pH и концентрация СО₂: связывание СО₂ и ионов Н⁺ снижает способность гемоглобина связывать О₂. В периферических тканях с относительно низким значением pH и высокой концентрацией СО₂ сродство гемоглобина к кислороду падает по мере связывания СО₂ и ионов Н⁺. И наоборот, в легочных капиллярах выделение СО₂ и сопутствующее ему повышение pH крови приводит к увеличению сродства гемоглобина к кислороду. Это влияние величины pH и концентрации СО₂ на связывание и освобождение кислорода гемоглобином называют эффектом Бора в честь датского физиолога Христиана Бора, впервые открывшего этот эффект.

Эффект Бора обусловлен реакцией, в которой помимо кислорода участвуют еще два лиганда, способные связываться с гемоглобином, а именно ионы Н⁺ и СО₂. Реакция связывания кислорода гемоглобином в том виде, в каком мы ее до сих пор записывали:

Нb + O₂⇄ HbO₂,

в действительности отражает неполную картину. Чтобы объяснить влияние концентрации ионов Н⁺ на связывание кислорода гемоглобином, мы должны записать эту реакцию в иной форме:

ННb⁺ + O₂ ⇄ HbO₂ + Н⁺,

где ННb⁺ - протонированная форма гемоглобина. Из этого уравнения следует, что кривая насыщения гемоглобина кислородом зависит от концентрации ионов Н⁺ (рис. 8-17). Гемоглобин связывает и кислород, и ионы Н⁺, но между этими двумя процессами существует обратная зависимость. Если парциальное давление кислорода велико, что наблюдается, например, в легких, то гемоглобин связывает его, освобождая при этом ионы Н⁺. При низком парциальном давлении кислорода, что имеет место в тканях, связываться с гемоглобином будут ионы Н⁺. Однако ионы Н⁺ и кислород связываются с разными участками молекулы гемоглобина. Кислород связывается с атомами железа в гемах, а ионы Н⁺ -с R-группами остатков гистидина-146 в ß-цепях и с двумя другими остатками в ot- цепях. Таким образом, четыре полипептидные цепи гемоглобина передают друг другу информацию не только о связывании кислорода гемогруппами, но и о связывании ионов Н⁺ специфическими аминокислотными остатками.

Рис. 8-17. Влияние pH на кривую насыщения гемоглобина кислородом. При низком значении pH, характерном для тканей (pH 7,2), кислород освобождается легче, чем при более высоком значении (pH 7,6), характерном для легких, где кислород легче связывается.

Но это еще не все, так как гемоглобин связывает, кроме того, и углекислый газ, причем опять-таки этот процесс находится в обратной зависимости от связывания кислорода. СO₂ присоединяется к концевой а-аминогруппе каждой из четырех полипептидных цепей, в результате чего образуется карбаминогемоглобин

При высоких концентрациях СO₂. наблюдающихся в тканях, часть СO₂ связывается с гемоглобином и его сродство к O₂ снижается, что приводит к освобождению О_2. И наоборот, когда в легких с гемоглобином связывается O₂, уменьшается сродство гемоглобина к СO₂. Из сказанного следует, что кривая насыщения гемоглобина кислородом зависит как от pH, так и от концентрации СO₂. Такая обратная зависимость между связыванием O₂, с одной стороны, и связыванием СO₂ и ионов Н⁺ с другой, дает организму большие преимущества. В тканях при низких pH и высоких концентрациях СO₂ кислород обычно освобождается из гемоглобина, тогда как в легких высокая концентрация кислорода способствует выделению СO₂ и ионов Н⁺. Таким образом, благодаря способности молекулы гемоглобина передавать информацию о связывании лигандов от одной полипептидной субъединицы к другой па молекула оказывается великолепно приспособленной к осуществлению совместного переноса эритроцитами O₂, СO₂ и ионов Н⁺.

Но теперь снова возникает ряд вопросов. В чем состоит особенность структуры гемоглобина, обеспечивающая эти выгодные для организма изменения сродства гемоглобина к кислороду, находящиеся в обратной зависимости от его сродства к СO₂ и ионам Н⁺? Как информация о связывании лиганда передается от одной полипептидной субъединицы гемоглобина к другой? Почему гемоглобин обладает такими свойствами, а миоглобин нет?