Измерение кислорода в крови — не новая функция, но интерес к ней возрос с выходом фитнес-трекера Honor Band 5.

Что такое сатурация крови кислородом (SpO2)? Нужно ли измерять этот параметр? Можно ли доверять показаниям фитнес-браслетов или смарт-часов, которые не являются медицинскими приборами?

В этой статье мы ответим на эти вопросы и выясним, является ли измерение кислорода в крови очередным маркетинговым трюком для привлечения внимания к устройствам.

Читайте также:

• Вариабельность пульса в Apple Watch
• Что такое VO2 max на фитнес-трекерах
• Сон и фитнес-браслеты. Руководство для чайников

Что такое SpO2 и зачем нам нужен кислород?

Клеткам организма необходима энергия для движения, синтеза белков и создания химических веществ. Это основа жизни.

Представьте свой организм как двигатель автомобиля, где сжигается бензин и движутся поршни. Для возгорания нужен воздух, а точнее кислород, содержащийся в нем.

Таким образом, «бензин» (питательные вещества) и кислород необходимы клеткам для окисления и получения молекул АТФ, основного источника энергии в организме.

Но каким образом в клетки попадает кислород?

Кровь на 40% состоит из клеток, а 60% составляет плазма — светлая жидкость, состоящая из воды, солей и минералов. Большинство клеток — это эритроциты или красные кровяные тельца, которые составляют 99% всех клеток крови (примерно 20-25 миллиардов штук).

Каждый эритроцит содержит более 250 миллионов молекул гемоглобина. Эта молекула связывается с кислородом и переносит его ко всем тканям организма.

Гемоглобин можно сравнить с «такси» для кислорода. Когда кровь проходит через легкие, гемоглобин захватывает молекулы кислорода и доставляет их к тканям. На обратном пути он забирает углекислый газ.

Когда кровь снова проходит через легкие, гемоглобин оставляет углекислый газ и забирает новую порцию кислорода. Мы, в свою очередь, делаем вдох и выдох, чтобы очистить легкие от углекислого газа и получить свежий воздух.

Важно отметить, что не каждая молекула гемоглобина «перевозит» кислород. Некоторые могут пройти весь путь без «пассажира», то есть без кислорода.

SpO2 показывает соотношение гемоглобина, содержащего кислород, к общему количеству гемоглобина в крови.

Какая норма SpO2 (сатурации крови кислородом)?

Нормой SpO2 для здорового человека считается 96-99% оксигемоглобина, то есть гемоглобина, содержащего кислород. Это означает, что почти весь гемоглобин должен быть насыщен кислородом.

Кислород придает крови характерный цвет: чем больше кислорода в гемоглобине, тем ярче цвет. Артериальная кровь, несущая кислород к тканям, имеет ярко-красный цвет, тогда как венозная кровь, оттекающая от тканей, темно-красная, так как содержит на треть меньше кислорода.

Уровень SpO2 может немного снижаться при физических нагрузках, что является нормальным явлением.

Если сатурация падает ниже 90%, это указывает на гипоксемию — недостаток кислорода в крови, что может привести к гипоксии, то есть низкому уровню кислорода в тканях организма.

При некоторых заболеваниях насыщение гемоглобина кислородом также может снижаться. Например, обострение бронхиальной астмы может привести к падению SpO2 ниже 90%, что требует незамедлительной госпитализации.

Каким образом фитнес-браслеты измеряют уровень кислорода в крови? Можно ли этим показателям доверять?

Ответ на второй вопрос краткий: да, доверять показателям фитнес-трекера можно.

Принцип измерения сатурации гемоглобина кислородом на фитнес-браслете аналогичен работе медицинского прибора пульсоксиметра. Он заключается в следующем:

Специальный датчик излучает свет, который проходит через ткани, отражается и попадает на фотодетектор. Определенное количество света поглощается кровью, и это зависит от степени её насыщения кислородом.

На основе поглощенного света рассчитывается показатель SpO2.

Пульсометр любого фитнес-трекера работает по тому же принципу. Типичный датчик состоит из фотодетектора и излучателей.

Многие смартфоны также могут измерять SpO2 с высокой точностью. Например, флагманы Samsung (серии Galaxy S и Galaxy Note) измеряют уровень кислорода в крови без дополнительных приборов. Датчик SpO2 расположен сзади, в районе камеры.

Для измерения нужно открыть приложение Samsung Health и выбрать измерение SpO2 или измерение уровня стресса.

Теперь попробуем ответить на главный вопрос.

Зачем измерять SpO2? В чем смысл этой функции на фитнес-браслетах?

Измерение SpO2 критически важно в некоторых ситуациях, например:

• При анестезии во время операции — это одна из основных задач анестезиолога.
• В период восстановления после серьезных операций или заболеваний, таких как инфаркт, также важно следить за уровнем кислорода.

Однако фитнес-браслеты не могут заменить специализированные устройства (подробнее об этом — в конце статьи). Для обычного пользователя измерение SpO2 не имеет особого смысла. Тем не менее, можно выделить несколько возможных областей применения такого «датчика кислорода»:

1. Профессиональный спорт

Уровень SpO2 снижается при физических нагрузках. Отслеживая этот показатель во время интенсивных тренировок, можно определить пределы своего организма и стремиться улучшить физические показатели.

В профессиональном спорте более важен показатель VO2 max, который также измеряют некоторые фитнес-трекеры и умные часы. Однако это уже отдельная тема.

2. Альпинизм

Воздух в горах разреженный, что означает меньшее содержание кислорода. При небольшом снижении уровня кислорода вы можете почувствовать себя лучше, но если снижение продолжится, это приведет к негативным последствиям.

Контроль уровня SpO2 во время восхождения помогает снизить риск проблем со здоровьем. Например, если процент кислорода начнет значительно падать, стоит уменьшить нагрузку: замедлить темп подъема, сделать перерыв или пересмотреть планы.

Но…

Опять же, для каждой из этих задач существуют более удобные инструменты.

Главная проблема фитнес-браслетов и умных часов заключается не в точности измерений, а в отсутствии режима непрерывного измерения SpO2. Большинство браслетов делают разовые замеры в течение 15-30 секунд и не могут сигнализировать о падении уровня кислорода в крови, что является основной задачей пульсоксиметров.

МИОГЛОБИН — это сложный глобулярный белок, состоящий из одной полипептидной цепи и 153 аминокислот. В его структуре присутствует железопорфириновая группа (гем), позволяющая ему обратимо связывать кислород. Миоглобин содержится в клетках скелетных мышц. Его пептидная цепь напоминает длинную скрученную колбасу. Остов молекулы состоит из 8 относительно прямолинейных отрезков, разделенных местами сгибов, и каждый отрезок закручен в виде α-спирали. 70% аминокислотных остатков находятся в спирализованных участках.

Свойства миоглобина:

1. Компактная молекула (в ней может уместиться 4H2O).
2. Полярные R-группы аминокислот расположены на внешней поверхности и связаны с H2O.
3. Неполярные R-группы находятся внутри молекулы, защищены от контакта с H2O.
4. Остатки пролина встречаются только в местах сгибов пептидной цепи, нарушая α-спираль. В этих местах также находятся аминокислоты, которые не могут легко образовывать α-спираль (изолейцин, серин), и аминокислоты с одинаковыми зарядами при pH 7.
5. Миоглобины разных млекопитающих имеют схожую конформацию, но отличаются аминокислотным составом.

ГЕМ — это комплекс порфирина и иона железа в степени окисления +2.

Миоглобин в основном хранит кислород в мышцах. Его скорость насыщения кислородом значительно выше, чем у гемоглобина. Однако миоглобин не подходит для транспортировки кислорода из легких в ткани, так как скорость его отдачи в тканях невелика (при давлении 1 мм рт. ст. примерно половина миоглобина остается с кислородом).

Транспортировка кислорода осуществляется белком четвертичной структуры — гемоглобином.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА ГЕМОГЛОБИНА. Рентгеноструктурный анализ, проведенный Перутцем и его коллегами в Кембридже, установил третичную и четвертичную структуры гемоглобина. Гемоглобин содержится в эритроцитах и служит для переноса кислорода. Его молекулярная масса составляет 64500. Молекула состоит из 4 полипептидных цепей: 2 α-цепей (по 141 остаток аминокислот) и 2 β-цепей (по 146 остатков аминокислот), каждая из которых связана нековалентной связью с остатками гема. Цепи свернуты нерегулярно и содержат α-спиральные участки, разделенные сгибами.

α- и β-цепи гемоглобина на 70% состоят из α-спиральных участков. Их третичная структура очень схожа, так как они образованы из α-спиральных участков одинаковой длины и углов. Сходство третичной структуры гемоглобина и миоглобина объясняет их аналогичную функцию — обратимое связывание O2.

По данным рентгеноструктурного анализа, молекула гемоглобина имеет форму, близкую к сфере диаметром ~ 5,5 нм. Четыре полипептидные цепи расположены относительно друг друга в виде тетраэдра, образуя характерную четвертичную структуру.

Эта структура компактна. Большинство гидрофобных R-групп аминокислот находится внутри глобулы, а гидрофильные — снаружи. В молекуле гемоглобина наблюдается небольшое количество контактов между одинаковыми цепями (2 α- и 2 β-цепи) и множество контактов между α- и β-цепями, в образовании которых участвуют в основном гидрофобные R-группы.

При присоединении кислорода к гемоглобину расстояние между 2 β-цепями уменьшается, изменяя четвертичную структуру. Таким образом, гемоглобин и оксигемоглобин (насыщенный кислородом) различаются по своей четвертичной структуре.

Четвертичная структура олигомерных белков определяется первичной аминокислотной последовательностью полипептидных цепей. Олигомерные белки, такие как гемоглобин, обладают способностью к самосборке.

Главное отличие гемоглобина от миоглобина заключается в кооперативных эффектах, влияющих на скорость присоединения и отсоединения молекул кислорода. Каждая молекула гемоглобина может связывать и переносить четыре молекулы кислорода, причем кооперативность облегчает как присоединение, так и отсоединение последующих молекул. Это связано с двумя основными конформациями гемоглобина — оксигенированной и дезоксигенированной. Промежуточные состояния нестабильны. Предполагается, что присоединение первой молекулы кислорода смещает атом железа на 0,4-0,6 ангстрема, вызывая изменения в конформации субъединицы. Измененная конформация облегчает присоединение кислорода к другой субъединице и так далее. Это ускоряет процесс присоединения кислорода в легких (pO2 = 100 мм рт. ст.). При переносе оксигенированного гемоглобина в капилляры тканей (pO2 = 5 мм рт. ст.) отсоединение кислорода также происходит быстро благодаря кооперативному эффекту. Известны химические регуляторы скорости и полноты присоединения кислорода, такие как 2,3-дифосфоглицериновая кислота, которая облегчает присоединение кислорода у организмов, обитающих в высокогорных районах.

3.1. Биологические функции белков.

Белки выполняют функции запасания (например, миоглобин) и переноса кислорода (гемоглобин). Эта функция схожа с ферментативной, но молекулярный кислород не претерпевает изменений в этих процессах. Специализированные белки высших организмов — гаммаглобулины — защищают от чуждых биополимеров, выполняя иммунологическую функцию. Фибриллярные белки составляют кожу, кости, волосы и сухожилия, обеспечивая опорную функцию и механическую целостность органов.

Реакция организма на внешние воздействия сводится к перекодированию сигналов в белковые взаимодействия.

3.2. Основные задачи биофизики белка

1. Теоретические и экспериментальные исследования белковых молекул и надмолекулярных систем, образованных ими.
2. Установление связи между первичной структурой белка (последовательностью аминокислотных остатков) и пространственным строением молекул белков.
3. Изучение физических механизмов биосинтеза белка.
4. Исследование физических процессов, определяющих биологические функции белков.

3.3. Конформация полипептидной цепи.

Рассмотрим структуру пептидной связи.

Пептидная связь объединяет 4 атома: N, H, C и O, которые располагаются в одной плоскости (обведенная область на рисунке). Из химии известно, что вращение вокруг одинарной связи приводит к образованию поворотных изомеров.

В белках вращение вокруг пептидной связи C-N затруднено (энергия активации 40–80 кДж/моль), так как эта связь обладает двойной связью. Кроме того, в пептидной группе наблюдается водородная связь между группой C=O и атомом водорода группы N-H (с энергией активации 20–30 кДж/моль).

Таким образом, белок можно рассматривать как цепь связанных плоских пептидных звеньев. Вращение этих звеньев возможно только вокруг одинарных связей углерода и аминокислот (см. рис).

Угол поворота вокруг связи C-C обозначается как φ, а вокруг связи C-N — как ψ.

Для нахождения наиболее устойчивой конформации белковой цепи необходимо минимизировать ее полную энергию, включая энергию внутримолекулярных водородных связей. Полинг и Кюри выделили два основных варианта структуры белковой цепи: α-спираль и β-форма.

α-спираль	β-форма

Рис.3.1. Ориентация водородных связей в структуре белка.

α-спираль может быть правозакрученной (φ = -132°, ψ = -123°) и левозакрученной (φ = -228°, ψ = -237°). β-формы бывают параллельные (φ = -61°, ψ = -239°) и антипараллельные (φ = -380°, ψ = -325°).

В белках также встречаются участки, не образующие регулярной структуры. Например, в гемоглобине 75% аминокислот формируют правозакрученные α-спирали, в то время как остальные участки цепи не имеют упорядоченности. Упорядоченные участки часто называют кристаллической частью белка, а неупорядоченные — аморфной формой.

Аморфные участки служат резервом строительного материала, который может быть использован для формирования упорядоченных участков при необходимости.

3.4. Структура воды и гидрофобные взаимодействия.

Рассмотрим свойства воды подробнее. Молекула воды является диполем из-за своей асимметрии. В водном растворе атом кислорода располагается в центре тетраэдра, в вершинах которого находятся атомы водорода.

Рис. 3.2. Тетраэдрические свойства полностью координированной воды.

Две пары электронов кислорода, не участвующие в образовании валентной связи, находятся на вытянутых орбиталях, направленных к вершинам тетраэдра. Эти электронные пары имеют отрицательный заряд и притягивают атомы водорода соседних молекул, образуя водородные связи. Благодаря этим взаимодействиям в жидкой воде формируются ассоциации молекул, называемые кластерами. Структура кластеров схожа со структурой льда, но кристаллическая решетка отличается «рыхлостью», что объясняет невысокую плотность льда. Даже после полного таяния льда в жидкой воде сохраняются льдоподобные структуры — кластеры. Расчеты показывают, что без них плотность жидкой воды составила бы 1.8 г/мл вместо 1.0 г/мл. Наличие кластеров подтверждается рентгенографическими исследованиями. Между неструктурированной водой и кластерами происходит обмен молекулами, в среднем время жизни кластера составляет 10^-10 с. При 20 °C доля несвязанных молекул составляет 29.5%. С увеличением температуры средний размер кластера уменьшается, а доля несвязанных молекул возрастает, что объясняет аномально высокую теплоемкость воды.

В воде хорошо растворяются органические соединения с полярными группами, способными вступать в диполь-дипольные взаимодействия или образовывать водородные связи с молекулами воды. Напротив, неполярные соединения плохо растворимы в воде. Физические причины этих явлений были выяснены после измерения термодинамических параметров процессов растворения. Установлено, что при плохой растворимости углеводорода в воде свободная энергия увеличивается, а значит, энтропия системы уменьшается.

Что означает уменьшение энтропии при растворении? Исследования показали, что при этом увеличивается доля кластеров. Молекулы углеводородов втискиваются в полости тетраэдрических ячеек кластеров, вытесняя неструктурированную воду. Последняя образует новые кластеры, увеличивая упорядоченность системы и уменьшая энтропию. Таким образом, гидрофобные взаимодействия являются следствием свойств воды, а не особых сил, связывающих неполярные группы. Ассоциация неполярных молекул в воде за счет гидрофобных взаимодействий определяется выталкивающим действием воды на неполярные соединения, что обусловлено стремлением молекул воды к максимальной неупорядоченности.

3.5. Гидрофобные взаимодействия и структуры белков.

Степень гидрофобности аминокислотного остатка определяется по разности свободных энергий растворения аминокислоты в слабополярном растворителе и воде, чаще всего в этиловом спирте.

Разности свободных энергий, соответствующие белковой группе аминокислоты при переносе из спирта в воду, приведены в таблице:

Гидрофобные F кДж/моль	Три	Иле	Тир	Фен	Про
12.50	12.40	12.00	11.10	10.85
Лей	Вал	Лиз	Гис	Нет
10.10	7.06	6.27	5.85	5.45
Ала	Арг	Цис	Глу	Асп
3.05	3.05	2.71	2.50	2.26
Тре	Сер	Гли	Асн	Глн
1.84	0.17	0.00	-0.04	-0.42

Названия остатков: глицил, аланил, валил, лейцил, изолейцил (иле), фенилаланил (фен), пролил, триптофанил (три), серил (сер), треонил (тре), метионил (мет), аспарагинил (асп), глутаминил (глн), цистинил, аспаргил, глутамил (глу), тирозил, гистидил (гис), лизил (лиз), аргинил (арг).

Гипотеза о роли гидрофобных взаимодействий была подтверждена в 1944 году. Суть заключалась в том, что гибкая молекула белка в воде сворачивается в глобулу: полярные остатки стремятся к максимальному контакту с водой, а неполярные — к минимальному. Из геометрии известно, что минимальная поверхность при заданном объеме имеет шар. Неполярные остатки образуют внутри белка шарообразное ядро, а полярные сосредотачиваются на поверхности, что приводит к образованию компактного тела — глобулы с гидрофобным ядром и гидрофильной оболочкой.

1 — гидрофобное ядро
2 — гидрофильная оболочка

В 1964 году Фишер установил, что, зная общее число аминокислотных остатков в ядре и соотношение полярных и неполярных остатков, можно предсказать форму глобулы. Предположим, что все остатки имеют одинаковые объемы. Обозначим отношение числа полярных остатков к неполярным как bs. Пусть радиус глобулы равен r, а глобула покрыта мономолекулярным слоем полярных остатков толщиной d (Фишер считал, что d составляет 4-5 Å). При этих допущениях отношение полярных и неполярных остатков равно отношению объемов сферического слоя и центрального ядра.

Следовательно, чем меньше b, тем выше относительная гидрофильность белка. На рисунке представлена теоретическая кривая (кривая Фишера) зависимости параметра b от объема глобулы (V=4/3r³) и экспериментальные данные.

Глобула может быть сферической только при b=bs (соответствует кривой Фишера). Если b>bs, то число полярных остатков превышает необходимое для покрытия гидрофобного ядра, и глобула вытягивается в эллипсоид, увеличивая свою поверхность по сравнению с шаром.

При b>>bs возникают фибриллярные структуры (обозначено x на графике).

Таким образом, белки с b, превышающим значения на кривой Фишера, представляют собой эллипсоиды и фибриллы, а белки, значения которых находятся на кривой, — глобулы. Белки, расположенные под кривой, образуют надмолекулярные структуры. Формирование гидрофобного ядра в глобулярных белках критически важно для их функционирования. Белки, несмотря на большую молекулярную массу, имеют сравнительно компактную структуру благодаря гидрофобным взаимодействиям.

3.6. Связывание лигандов с макромолекулами.

Образование комплексов между малой молекулой (лигандом L) и центрами связывания на макромолекуле M является основой функционирования многих биополимеров. Комплекс ML можно рассматривать как кинетическую реакцию, константа равновесия которой равна K.

Обозначим через r концентрацию связанного лиганда, через c — концентрацию свободного лиганда в растворе, а через N — концентрацию центров связывания на макромолекуле. Тогда концентрация незанятых центров связывания будет равна:

В этих обозначениях выражение для константы равновесия:

При заполнении половины центров связывания из уравнения получаем:

Таким образом, k обратно пропорционально концентрации свободного лиганда при 50% заполнении центров связывания.

На рисунке представлены данные по насыщению кислородом миоглобина и различных гемоглобинов человека. Для построения графика удобнее использовать парциальное давление O2 (Y — степень связывания).

Кривые насыщения O2:

2 — фитального гемоглобина
3 — нормального гемоглобина
4 — гемоглобина, больного серповидной анемией

Уравнение для кривой связывания можно получить, решив уравнение (3) относительно r. Тогда получим уравнение (5). С увеличением концентрации лиганда доля занятых центров r стремится к N. Из рисунка видно, что связывание кислорода с миоглобином описывается гиперболой, а связывание с гемоглобином — S-образной зависимостью, обусловленной взаимодействием центров связывания.

В 1909 году Хиллом была предложена модель связывания кислорода с гемоглобином, описывающая экспериментальные данные. Согласно этой модели центры связывания кислорода на молекулах гемоглобина не являются независимыми. Присоединение одной молекулы кислорода к одному из центров увеличивает сродство к кислороду других центров, а связывание двух молекул кислорода облегчает связывание с третьей. Такое связывание, при котором константы связывания идентичных центров изменяются по мере их заполнения, называется кооперативным связыванием. Хилл рассмотрел модель максимальной кооперативности, когда связывание одного лиганда значительно увеличивает сродство остальных центров, что приводит к их почти мгновенному заполнению. В равновесном растворе лиганда N и макромолекулы с n идентичными центрами связывания присутствуют либо макромолекулы с незанятыми центрами, либо комплексы лиганда с заполненными центрами. Таким образом, модель максимальной кооперативности описывает кинетический процесс:

В последнем выражении [M], [Ln], [N] — концентрации комплексов, свободного лиганда и свободных центров связывания. Степень насыщения центров связывания Y определяется как отношение концентрации связанных макромолекул к общей концентрации макромолекул в растворе.

Уравнение Хилла

Хотя это уравнение выведено для случая полной кооперативности, график Хилла используется и для анализа процессов с неполной кооперативностью. В этом случае кооперативность характеризуется коэффициентом Хилла h, равным максимальному тангенсу наклона.

График Хилла для насыщенного гемоглобином кислорода:

Связывание кислорода с гемоглобином, имеющим 4 центра связи, характеризуется параметром Хилла h = 2,9. Уравнение хорошо описывает связывание от 10 до 80% насыщения углеродом (прямолинейный участок на графике). По коэффициенту Хилла судят о степени кооперативности процесса. Если h = 1, кооперативность отсутствует (как у миоглобина).

Уменьшение спина приводит к уменьшению ионного радиуса, и структура становится более компактной. В результате происходит более плотная упаковка макромолекулы Нb(O2)4, в процессе которой затрачивается длинный фрагмент макромолекулы оксигенированного гемоглобина. Механизм оксигенации гемоглобина является примером электронно-конформационных взаимодействий (ЭКВ), характерных для большинства биополимеров. Суть концепции ЭКВ заключается в сопряжении электронных процессов с конформационными (структурная перестройка).

3.7.Гемолиз

Среднее время жизни эритроцита составляет 8-120 суток. У здорового человека в одном миллилитре крови содержится 4-5 миллионов эритроцитов.

Типы гемолиза: осмотический, сдвиговый, поверхностный, механический.

Краткая аннотация к типам гемолиза:

1. Осмотический гемолиз возникает, когда разница осмотических давлений внутри и снаружи эритроцита превышает предел прочности мембраны. Это может происходить при локальной интоксикации или переносе в дистиллированную воду.

2. Сдвиговый гемолиз происходит, когда эритроцит в потоке крови испытывает вращающие и изгибающие моменты. Если механические напряжения превышают предел прочности, мембрана разрывается. Наибольшая скорость сдвига крови наблюдается в области клапанов.

3. Поверхностный гемолиз связан с адгезией эритроцитов к искусственным материалам. В пристеночных областях, где скорость сдвига крови высока, прилипшие к стенке эритроциты деформируются и могут разрушаться.

4. Механический гемолиз возникает из-за воздействия инородных материалов, таких как искусственные клапаны и желудочки сердца в экстракорпоральных системах. Степень гемолиза зависит от силы и длительности механического воздействия.

Миоглобин — сложный белок третьего уровня структурной организации, состоящий из одной полипептидной цепи (153 аминокислотных остатка). Его третичная структура в основном образована альфа-спиралями, на которые приходится около 70% аминокислот. Миоглобин содержит гем — комплекс порфирина и двухвалентного иона железа.

Ион железа встроен в порфирин так, что четыре из шести координационных связей образованы с атомами азота, одна — с азотом имидазольного остатка проксимального гистидина (F8), а другая — с дистальным гистидином (E7). Молекула кислорода присоединяется между дистальным гистидином и железом, при этом степень окисления железа не изменяется. Порфириновое кольцо частично погружено в белковую молекулу, и кислород присоединяется к гему, как бы проходя через открывающуюся дверцу.

Миоглобин в основном находится в мышцах и служит для хранения кислорода. Его скорость насыщения кислородом значительно выше, чем у гемоглобина. Однако миоглобин неэффективен для транспортировки кислорода из легких в ткани, так как скорость его отдачи в тканях невелика.

Вопросы транспортировки кислорода решает гемоглобин — белок четвертичной структуры, состоящий из двух пар субъединиц альфа (141 аминокислот) и бета (147 аминокислот). Субъединицы миоглобина и гемоглобина схожи, как и их третичная структура.

Главное отличие гемоглобина от миоглобина — кооперативные эффекты, влияющие на скорость присоединения и отсоединения кислорода. Каждая молекула гемоглобина может связывать четыре молекулы кислорода, и кооперативность облегчает этот процесс. Присоединение первой молекулы кислорода вызывает смещение атома железа, что приводит к изменениям в конформации субъединиц и облегчает присоединение кислорода к другим субъединицам. Это ускоряет процесс в легких и способствует быстрому отсоединению кислорода в капиллярах тканей.

Оксигемоглобин (HbO2) — полностью оксигенированный гемоглобин, содержащий 4 молекулы кислорода. Из шести гибридизованных орбиталей Fe2+ четыре связаны с порфирином, одна — с остатком His, а одна свободная — для присоединения кислорода.

Карбоксигемоглобин (HbCO) образуется при связывании гемоглобина с окисью углерода, что происходит в 200 раз быстрее, чем с кислородом. Даже небольшие концентрации CO могут привести к значительному количеству гемоглобина в форме HbCO, что опасно для жизни.

Метгемоглобин (MetHb) образуется при окислении железа в геме до Fe3+, что нарушает транспорт кислорода и углекислоты. Это нарушение обратимо и менее опасно, чем HbCO, так как железо может быть восстановлено ферментами.

Серповидноклеточная анемия — патология, вызванная аномальным гемоглобином S (HbS), возникающим из-за замены в мРНК кодона ГАГ (глутаминовая кислота) на ГУГ (валин). Это приводит к изменению свойств гемоглобина и форме эритроцитов, что затрудняет их способность к кислородному переносу и вызывает кислородное голодание тканей.

Мутация является примером эволюционного приспособления к малярии. Гемоглобин S часто встречается у людей из экваториальной Африки, где малярия распространена. Гетерозиготы по HbS невосприимчивы к малярии и не испытывают симптомов кислородного голодания.

Симптомы заболевания были впервые описаны в 1904 году, но причина была установлена позже. Выявлено множество других аномальных гемоглобинов, большинство из которых не влияют на здоровье. Аномальные гемоглобины получают название по замене аминокислот и месту обнаружения.

Клиническая диагностика осуществляется с помощью метода Southern Blot. Ген, кодирующий бета-цепь нормального глобина, имеет последовательность триплетов ЦЦТ-ГАГ-ГАГ. У носителей дефектного гена последовательность изменяется, что позволяет выявить патологию до рождения плода.

Гемоглобин играет важную роль в переносе кислорода и углекислоты. Он состоит из белка глобина и четырех молекул гема. Гем связывает и отдает кислород, оставаясь двухвалентным.

При обработке гемоглобина соляной кислотой гем отщепляется и превращается в гемин, который образует характерные кристаллы. Проба на гемин используется для судебно-медицинских исследований.

Гем состоит из четырех пиррольных колец, а атом железа связывает гем с глобином. Если гем теряет железо, образуется гематопорфирин, который может выделяться с мочой при некоторых отравлениях.

Гемоглобин, присоединивший кислород, называется оксигемоглобином (HbO2), а отдавший — восстановленным гемоглобином (Hb). Оксигемоглобин и гемоглобин имеют характерные полосы поглощения света.

Оксигемоглобин имеет ярко-алый цвет, а венозная кровь с восстановленным гемоглобином — темно-вишневый. Различия в поглощении света легли в основу оксигемометрии, позволяющей измерять степень насыщения крови кислородом.

Кровь взрослых содержит в среднем 14-15% гемоглобина. В эмбриональный период в крови человека присутствуют разные типы гемоглобина, которые отличаются способностью связывать кислород. Для их определения применяют методику измерения оптической плотности.

Эмбриональный гемоглобин HbF обладает более высоким сродством к кислороду, чем гемоглобин матери. Разные виды позвоночных имеют различия в структуре гемоглобина.

В организме происходит постоянный синтез и распад гемоглобина, связанный с образованием и разрушением эритроцитов. Синтез осуществляется в эритробластах красного костного мозга, а разрушение — в печени и селезенке, где гемоглобин превращается в билирубин, выводимый с желчью.

В организме могут образовываться другие соединения гемоглобина, такие как метгемоглобин и карбоксигемоглобин, которые возникают при отравлениях. Метгемоглобин образуется при действии окислителей и может привести к удушью. Карбоксигемоглобин связывает угарный газ, что также опасно для жизни.

Миоглобин, находящийся в скелетной и сердечной мышце, связывает до 14% кислорода в организме, что важно для снабжения работающих мышц.