Мусил Я., Новикова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах

Подождите немного. Документ загружается.

СИСТЕМА ПРОТИВОТОЧНОГО УМНОЖЕНИЯ

Система противоточного умножения реализует-

ся при работе петли Генле. Моделью этой системы

служит U-образная трубка, нисходящая (D) и восхо-

дяшая (А) ветви которой разделены мембраной

(М). Эта мембрана не пропускает растворитель,

тогда как ионы Na

могут проходить через нее из

восходящей ветви в нисходящую путем активного

транспорта. Такая мембрана способна образовы-

вать по всей длине постоянный осмотический гра-

диенг между растворами в двух ветвях (активный

транспорт Na

). В почках величина этого градиен-

та около 0,2 осмоль/л.

Образование градиента можно наблюдать

в следующем опыте. Состояние 1. U-образная

трубка заполнена раствором определенной осмо-

ляльности. Состояние 2. Вследствие активного

транспорта Na

через мембрану от А к D вдоль

всей мембраны образуется постоянный осмотиче-

ский градиент. Состояние 3. Жидкость в трубке

приходит в движение, и часть ее выливается. Дру-

гое колено заполняется исходной жидкостью. По-

ток прекращается. Состояние 4. Равновесие восста-

новлено, т.е. во всех частях трубки существует

постоянный осмотический градиент. Состояние 5.

Часть жидкости опять выливается и потеря воспол-

няется исходной жидкостью. Поток прекращается.

Состояние 6. По всей поверхности мембраны уста-

навливается постоянный осмотический градиент.

Значения осмоляльности в отдельных частях труб-

ки не такие, как в состояниях 2 и 4. В результате

концентрация Na

и осмоляльность максимальны

в нижней части U-образной трубки. На выходе

из трубки жидкость гипоосмоляльна по сравнению

с входящей. При постоянном потоке жидкости че-

рез трубку на каждом уровне трубки устанавлива-

ется равновесие.

В почке активный транспорт Na

из восходя-

щей ветви петли, сопровождаемый пассивным

транспортом Cl

, происходит не прямо в нисходя-

щую ветвь, а в интерстициальную жидкость. В ре-

зультате осмотические давления в верхней и ниж-

ней частях петли сильно различаются. Из петли

Генле выходит гипоосмотическая жидкость, что со-

ответствует разбавлению мочи в результате пони-

жения содержания растворенных веществ.

ОСМОЛЯЛЬНОСТЬ ПЕРВИЧНОЙ МОЧИ

Первичная моча в проксимальных канальцах

(А) изотонична. Na

и Cl

транспортируется из

восходящей ветви в интерстициальную жидкость.

Поскольку мембрана этой части петли не про-

пускает воду, пространство вблизи петли стано-

вится гипертоническим в результате работы систе-

мы противоточного умножения. Сюда диффунди-

рует вода из прилежащих участков, главным об-

разом из дистального канальца В и собиратель-

ной трубки Г. Транспорт Na

и Cl

в восходя-

щей ветви петли Генле Б приводит к разбавле-

нию мочи. Гипотоническая моча из верхней части

петли Генле поступает в дистальный каналец, ме-

мбрана которого достаточно хорошо пропускает

воду, так что на выходе из канальца жидкость

становится изотонической. В собирательной трубке

реабсорбция Na

и Сl

, а также воды продол-

жается, в результате чего объем жидкости еще

более уменьшается. Проницаемость мембраны для

воды регулируется антидиуретическим гормоном.

181

Отдел нефрона

Клубочек

Выход из про-

ксимально-

го канальца

Петля Генле

Вход в ди-

стальный

каналец

Выход из ди-

стального

канальца

Выход из соби-

рательной

трубки

Концентрация

веществ

в жидкости

канальцев, мМ

144

300

100

130

мочевина

12,5

180

51,7

300

1,2

28,2

Общая

осмоляль-

ность,

осмоль/л

0,310

0,320

0,900

0,230

0,350

0,900

182

СВЯЗЬ ТРАНСПОРТА ВОДЫ

И МОЧЕВИНЫ

Кроме поддержания стабильности внутренней

среды к функциям почки в организме относится

также обеспечение транспорта конечных продуктов

метаболизма. Это касается главным образом мо-

чевины, которая получается при разложении бел-

ков (см. гл. «Метаболизм аминокислот»). Выде-

ление мочевины прямо связано с транспортом

воды и ионов в почке, и накопление мочевины

в крови служит индикатором нарушения кислотно-

основного равновесия и состава электролитов в

жидкостях тела. В нормальном состоянии почка

поддерживает концентрацию мочевины в плазме

в определенном, довольно широком диапазоне

(2,8-9 мМ). Мочевина проходит через мембрану

без помощи переносчика, обычной диффузией по

осмотическому градиенту. Изменение осмоляльно-

сти жидкости в различных отделах нефрона при-

водит к последовательному и непрерывному уве-

личению концентрации мочевины, начиная с мо-

мента образования первичной мочи. Около 50%

исходного количества мочевины в первичной мо-

че диффундирует вместе с водой через мембрану

внутрь проксимального канальца. Из восходящей

ветви петли Генле и собирательной трубки мо-

чевина поступает в интерстиций, где ее концентра-

ция постоянно увеличивается. По этой причине

образуется градиент концентрации, обеспечиваю-

щий диффузию мочевины в нисходящую ветвь

петли. В результате происходит рециркуляция мо-

чевины, которая приводит к тому, что ее кон-

центрация в нижней части петли примерно в сорок

раз повышена. Концентрация осмотически актив-

ных частиц (Na

, K

, Cl

) в нижней части петли

также выше, и жидкость в ней является гиперто-

нической. Тем не менее концентрация мочевины

в ней сохраняется достаточно высокой, несмотря

на диффузию из восходящей ветви петли (мембра-

на которой непроницаема для воды) в интерсти-

ций.

Абсолютные количества мочевины на входе и

выходе из нефрона почти одинаковы, но вследствие

сильного уменьшения объема воды (до 1% исходной

величины на выходе из собирательной трубки)

раствор мочевины концентрируется. Выделяемая

из организма моча содержит около 300 мМ мочеви-

ны.

Средний состав жидкости в отдельных частях

нефрона приведен в таблице.

XVIII

Кислотно-основной баллоне

и обмен газов

При метаболических процессах окисления-восстановления и декарбоксилирования поглощается О

и вы-

деляется СО

в количествах, эквивалентных 13000 ммолей в сутки. К кислотным продуктам метаболизма от-

носятся также фосфорная и серная кислоты (нелетучие кислоты), количества которых эквивалентны примерно

70 ммолям Н

в сутки. Так как рН внутренней среды может изменяться лишь в очень узком диапазоне, вы-

деляющиеся ионы Н

необходимо удалять из организма.

Основные пути вывода Н

- это выделение СО

легкими и ионов Н

почками (см. гл. «Вода и ионы»). На

пути этих продуктов от места их образования (внутри клеток) до выхода из организма, когда их концентра-

ция велика, нужно предотвратить их неблагоприятное действие. Для этой цели существует ряд буферных си-

стем, которые, несмотря на огромные количества транспортируемых протонов, сохраняют значение рН вну-

тренней среды в допустимых границах. Важную роль в этих процессах играет кровь, одна из основных

функций которой - перенос О

от легких к клеткам ткани и поддержание рН.

Кислород присоединяется в шестом координационном положении Fe

в геме гемоглобина. Связывание

обратимо, и степень насыщения зависит от давления О

. Присоединение О

к части субъединиц тетрамера ге-

моглобина приводит к активации свободных субъединиц (аллостерический эффект). Оксигемоглобин является

более сильной кислотой по сравнению к гемоглобином и легче диссоциирует.

СО

образуется в клетке в реакциях окисления и декарбоксилирования. Его необходимо удалять из орга-

низма, чтобы не допустить закисления среды. На пути из клетки ткани в альвеолы легких устанавливаются

следующие равновесия:

СО

+ Н

О <=> Н

СО

<=> НСО

+ Н

Положения этих равновесий таковы, что на 800 частей СО

, растворенных в воде, приходится 1 часть

в виде Н

СО

и 0,03 части в виде HCO

. Образующиеся ионы Н

могут нарушать кислотно-основной

баланс. Для того чтобы этого не происходило, в организме есть буферные системы, образуемые би-

карбонатом, гемоглобином, белками и фосфатами.

Вклад отдельных систем в буферную емкость крови:

Бикарбонатная система

бикарбонаты плазмы

бикарбонаты эритроцитов

Небикарбонатные системы

гемоглобин (в эритроцитах)

белки плазмы

органические фосфаты (в эритроцитах)

неорганические фосфаты (в эритроцитах и плазме)

35%

18%

53%

35%

47%

СО

, образующийся в реакциях декарбоксилирования (главным образом в цикле лимонной кислоты),

участвует в ряде процессов:

облегчает выделение О

из комплекса с гемоглобином в тканях;

при большом количестве понижает рН крови и нарушает кислотно-основное равновесие;

реагирует с водой; реакция катализируется карбоангидразой. Равновесие смещается в ту или иную сторо-

ну за счет уменьшения концентрации соответствующего реагента (НСО

в эритроцитах ткани и СО

в эритроцитах альвеол легких);

183

связывается белковой частью гемоглобина с образованием соединений типа карбаминовой кислоты. Эта

связь лабильна и разрушается при увеличении концентрации Н

Кислотно-основной баланс организма зависит от концентраций сопряженных оснований и кислот и их от-

ношения. Это отношение и определяет рН внутренней среды.

Нормальное значение рН крови и жидкостей тела 7,4±0,03 (концентрация Н

4,0•10

-8

М). Предельные

значения рН 6,8-7,7 (концентрация Н

от 16•10

-8

до 2•10

-8

М). Нормальное значение давления в аль-

веолярном воздухе и крови 40 торр (5,32 кПа). Соответствующая равновесная эффективная концентрация СО

в растворе (s•pCO

) равна 1,2 мМ. Нормальная концентрация НСО

в плазме 24±2 мМ. Ранее содержа-

ние углекислого газа измеряли в мл СО

на 100 мл плазмы (резервная щелочность). В норме эта величина

составляет 55±2 мл/100 мл.

В физиологических условиях в легких устанавливается стационарное состояние, при котором количества

выделяемого и образуемого в организме СО

равны.

В патологическом состоянии этот баланс может нарушаться, что вызывает изменение концентрации Н

в крови. Это нарушение называется ацидемией (при снижении рН) или алкалемией (при повышении рН).

Нарушения функции организма, приводящие к отклонениям в содержании анионов кислот в крови, назы-

вают ацидозом или алкалозом.

Термины гиперкапния и гипокапния используются для обозначения увеличения и уменьшения давления

СО

в крови.

Состав воздуха

Химическая формула

Ar, Ne, He, Kr, Хе

СО

Газ

Название

Азот

Кислород

Инертные газы

Оксид углерода(IV)

Состав, %

~70

~21

~0,03

Содержание

переменное

Примерный состав альвеолярных газов

Газ

СО

Концентрация,

Парциальное давление

торр

516,8

152

53,2

кПа

68,73

20,22

5,05

7,08

Вычисление

760•0,68

760•0,20

760•0,05

760•0,07

s•pCO

[СО

]

раств

[Н

СО

]

[Н

СО

]

эфф

ВОЗДУХ

Воздух состоит из смеси газов, которая

окружает поверхность Земли и образует ее атмос-

феру.

Кислород воздуха необходим для дыхания всех

аэробных организмов. Оксид углерода(IV) выде-

ляется этими организмами и поглощается расте-

ниями. Состав воздуха, главным образом содержа-

ние кислорода, изменяется с подъемом над уров-

нем моря.

АЛЬВЕОЛЯРНЫЕ ГАЗЫ

Альвеолярные газы представляют собой смесь

газов и паров воды в альвеолах легких. Общее да-

вление этой смеси равно атмосферному (в среднем

760 торр или 101,08 кПа). Парциальные давления

отдельных компонентов этой смеси равны общему

давлению, умноженному на долю соответствующе-

го компонента.

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ СОДЕРЖАНИЕМ

СО

В ВОЗДУХЕ И ЖИДКОСТЯХ

Количество растворенного в жидкости СО

пропорционально рСО

(закон Генри) и коэффи-

циенту растворимости s. Истинная (эффективная)

концентрация угольной кислоты в крови предста-

вляет собой сумму концентраций растворенного

СО

и продуктов его гидратации.

185

Уравнение Гендерсона-Хассельбалха

рН = 7,4

рСО

= 40 торр (5,32 кПа)

s•pCO

= 1,2 мМ

НСО

= 24 мМ

s =

0,03

рК = 6,1

186

КАРБОАНГИДРАЗА

Этот фермент катализирует образование уголь-

ной кислоты из СО

и Н

О и имеет большое зна-

чение для поддержания кислотно-основного балан-

са организма. Этот фермент сосредоточен главным

образом в эритроцитах, но он есть и в щеточной

каемке почки. Под действием карбоангидразы про-

цесс гидратации СО

ускоряется в 1,3•10

раз.

Фермент катализирует и обратную реакцию. Кар-

боангидраза имеет молекулярную массу 31000

и обладает строгой специфичностью. При увеличе-

нии рН от 6 до 10 активность фермента возра-

стает, причем равновесие реакции смещается в сто-

рону синтеза угольной кислоты.

СВЯЗЬ рН С БИКАРБОНАТНОЙ

СИСТЕМОЙ КРОВИ

Уравнение Гендерсона-Хассельбалха для би-

карбонатной системы содержит три неизвестных -

концентрация бикарбоната, давление СО

и рН,

и две константы - коэффициент растворимости s

и рК (отрицательный десятичный логарифм кон-

станты диссоциации угольной кислоты). Для пол-

ного описания системы необходимо определить

лишь две переменные величины, поскольку третью

можно получить из них расчетом.

рН крови зависит от соотношения концентра-

ций суммарной недиссоциированной кислоты

([СО

]

[Н

СО

]

s•рСО

)

бикарбоната.

Ве-

личина рК определяется следующим образом:

Как видно, определение К отличается от принятого

в физической химии, по которому она равна

1,32•10

-4

М (рК = 3,88).

СО

В ЗАКРЫТОЙ

И ОТКРЫТОЙ СИСТЕМАХ

В закрытой системе компоненты бикарбонатно-

го буфера присутствуют в равновесных концентра-

циях, которые зависят от рН. Их отношение не из-

меняется во времени.

Для открытой системы характерно равенство

количеств СО

, поглощаемого и выделяемого

в единицу времени. рН внутренней среды также не

изменяется. Организмы являются открытыми си-

стемами. Кровь забирает СО

из тканей, где он

образуется в метаболических процессах, и перено-

сит его в легкие, где он выделяется из организма

при дыхании.

Влияние сильной кислоты:

Влияние сильного основания:

Плазма

Бикарбонат

Белки плазмы

Фосфат

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ДИССОЦИАЦИИ

ДЛЯ БИКАРБОНАТНОГО

И НЕБИКАРБОНАТНЫХ БУФЕРОВ КРОВИ

В соответствии с теорией Брёнстеда вещество

называется кислотой, если оно образует протон

при диссоциации. Основаниями называют веще-

ства, способные связывать протон с образованием

недиссоциированной молекулы:

кислота <=> основание + Н

Сопряженное основание представляет собой анион

кислоты. Слабым кислотам (которые слабо диссо-

циированы и прочно связывают протон) соответ-

ствуют сильные сопряженные основания,

а сильным кислотам (которые сильно диссоцииро-

ваны и легко отдают протон) соответствуют

слабые основания. Сопряженной парой называют

кислоту и основание, которые взаимосвязаны по-

средством протона.

Сумма концентраций всех сопряженных основа-

ний бикарбонатного и небикарбонатных буферов

крови образует общее сопряженное основание и на-

зывается основанием буфера. Оно представляет со-

бой общую концентрацию сопряженных оснований

и измеряется в мМ. Отклонение основания буфера

от нормального значения называется избыточным

основанием и может быть как положительным, так

и отрицательным.

ОСНОВНЫЕ БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ

Кровь является сложной жидкостью и содержит

шесть основных буферных систем. Буферы распре-

делены между эритроцитами и плазмой крови. Для

простоты их делят на две группы:

а) бикарбонатная система (главным образом

в плазме)

б) небикарбонатная система (в плазме и эритро-

цитах)

Небикарбонатная система крови представлена

в основном гемоглобином и оксигемоглобином,

вклад которых в общую буферную емкость крови

равен 35%. При упрошенном рассмотрении влия-

нием мембраны эритроцитов пренебрегают и рас-

сматривают кровь как гомогенную жидкость, хотя

рН в эритроцитах всегда немного меньше, чем

в плазме. рН внутри эритроцитов изменяется одно-

временно с рН плазмы, что указывает на хорошую

проницаемость мембраны для бикарбоната.

ВЛИЯНИЕ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ

НА рН КРОВИ

В поддержании рН крови участвуют небикарбо-

натная и бикарбонатная системы. Для расчета

рН можно использовать рК любой системы, по-

скольку уравнения одинаковы. Между двумя систе-

мами существует равновесие: слабая кислота би-

карбонатной системы реагирует с основаниями

небикарбонатной системы и наоборот, бикарбонат

реагирует с недиссоциированной формой буфера

(НБуф) с образованием аниона Буф

и угольной

кислоты.

187

188

ВЗАИМОСВЯЗЬ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ КРОВИ

Протоны, образуемые клетками ткани, попа-

дают во внеклеточное пространство, где они связы-

ваются бикарбонатной и в меньшей степени фос-

фатной системами. После перехода в кровь они

нейтрализуются бикарбонатной системой и плазма-

тическими белками. Из плазмы ион Н

передается

внутрь эритроцитов гемоглобину, который служит

основной буферной системой эритроцитов и обла-

дает большой емкостью. Между всеми этими си-

стемами поддерживается равновесие.

ПУТИ ПЕРЕНОСА СО

КРОВЬЮ

При образовании СО

в клетке (в митохон-

дриях) давление СО

во внеклеточном пространст-

ве увеличивается. Поскольку давление СО

в кро-

веносных капиллярах меньше, углекислый газ сво-

бодно диффундирует в кровь. В небольшом коли-

честве он растворяется в плазме и связывается с

плазматическими белками. Реакция гидратации про-

текает медленно, так как в плазме нет карбоан-

гидразы. С белками СО

дает соединения типа

карбаминовой кислоты. Протоны, образующиеся

при их диссоциации, связываются фосфатом.

После поступления СО

в эритроциты реакция

гидратации сильно ускоряется под действием кар-

боангидразы. Ионы Н

, образующиеся при диссо-

циации Н

СО

, связываются гемоглобином. По-

скольку концентрация бикарбоната в эритроцитах

выше, чем в плазме, он проходит через мембрану

по градиенту концентрации. Ионы Na

и К

не

могут свободно проникать через мембрану, поэто-

му для сохранения электронейтральности в эритро-

циты из плазмы поступает ион Сl

. Часть СО

взаимодействует в эритроцитах с гемоглобином,

образуя карбаминогемоглобин. Эта реакция не тре-

бует катализатора. Ионы Н

, образующиеся при

диссоциации Н

СО

и карбаминогемоглобина, ней-

трализуются гемоглобином и органическими фос-

фатами.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ГЕМОГЛОБИНА

ПРИ ПЕРЕНОСЕ КИСЛОРОДА

Реакция А происходит в легких. В артериальной

крови гемоглобин присутствует главным образом

в форме НbО

, т.е. насыщен кислородом. Реакция

Б происходит в тканях. В венозной крови преобла-

лает восстановленная форма гемоглобина. Освобо-

ждению О

из гемоглобина способствует тот факт,

что восстановленный гемоглобин является более

сильным основанием, т. е. имеет большее сродство

к Н

. Поэтому кислород легко освобождается при

повышении концентрации Н

. Связывание Н

и буферные свойства гемоглобина обусловлены на-

личием функционально важных остатков гистидина

в его белковой части. Кислород образует связь

с ионом железа порфиринового цикла (см. гл. «Пор-

фирины»).

КРИВАЯ НАСЫЩЕНИЯ ГЕМОГЛОБИНА

Эта кривая показывает зависимость насыщения

гемоглобина (в %) от парциального давления О

(рО

). Кривые насыщения гемоглобина и миогло-

бина не совпадают, что объясняется различием

структуры молекул этих белков. Миоглобин обра-

зован одной белковой цепью и одним гемом, тогда

как гемоглобин представляет собой тетрамер

(четыре белковых цепи и четыре гема на молекулу).

Белки имеют разное сродство к кислороду, которое

к тому же зависит от рН. У миоглобина (одна

субъединица) сродство к кислороду велико, и кри-

вая насыщения представляет собой гиперболу.

У гемоглобина (четыре субъединицы) сродство

к кислороду при низких его концентрациях меньше,

и кривая насыщения сигмоидальна. Такой вид кри-

вой объясняется тем, что первая молекула субстра-

та (О

), связанная тетрамером, облегчает присоеди-

нение остальных, т.е. увеличивает сродство белка

к субстрату. Кинетика этого явления похожа на ки-

нетику реакции, катализируемой аллостерическим

ферментом (см. гл. «Ферменты»). Насыщение гемо-

глобина кислородом служит моделью проявления

аллостерических свойств ферментами.

ИЗМЕНЕНИЯ КОНФОРМАЦИИ МОЛЕКУЛЫ

ГЕМОГЛОБИНА ПРИ СВЯЗЫВАНИИ О

Гемоглобин состоит из четырех пептидных це-

пей и четырех гемов, каждый из которых может

связать одну молекулу кислорода. Присоединение

к одной из гемовых групп влияет на последую-

щее присоединение О

к трем остальным. Меха-

низм этого явления, вероятно, следующий.

Молекулу гемоглобина можно представить себе

состоящей из двух одинаковых частей, каждая из

которых содержит одну α-цепь и одну β-цепь (1).

При взаимодействии О

с одним из гемов происхо-

дит изменение конформации цепи (2). От α-цепи

оно механически передается на β-цепь (3). В новой

(измененной) конформации сродство β-цепи к кис-

лороду выше, чем в исходном состоянии, поэтому

присоединение следующей молекулы О

к β-цепи

облегчено (4). Заполнение кислородом одной пары

субъединиц αβ вызывает изменение конформации

в другой паре (5), и она быстро и прочно связы-

вает еще две молекулы О

(6). На кривой насыще-

ния эта фаза проявляется в виде резкого подъема,

придающего кривой характерный сигмоидальный

вид.

189

190

ПРОЦЕСС ПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА

В КРОВИ

Кислород, переносимый гемоглобином, посту-

пает в ткани, где он быстро расходуется на окисле-

ние субстратов. Движение кислорода происходит

по направлению градиента давления (рО

) в ре-

зультате обычной диффузии. На пути к митохон-

дриям, где он используется для получения энергии

(см. гл. «Митохондрия, дыхание и фосфорилирова-

ние»), ему приходится преодолевать ряд барьеров

в виде мембран различного типа и интерсти-

циальных пространств.

Любое изменение толщины мембраны или ши-

рины интерстиция удлиняет путь О

к пункту на-

значения и вызывает нарушение энергетического

метаболизма ткани.

В легких кислород присоединяется к восстанов-

ленному гемоглобину. Образование оксигемогло-

бина сопровождается освобождением протонов,

вследствие чего их концентрация в эритроцитах

возрастает. Ионы Н

реагируют с бикарбонатом

с образованием угольной кислоты, которая быстро

разлагается карбоангидразой на СО

и Н

О. Оба

эти вещества свободно диффундируют в плазму.

СО

переходит в альвеолы и выдыхается. Для под-

держания электронейтральности внутренней среды

в эритроциты взамен ушедших ионов HCO

посту-

пают из плазмы ионы Сl

, для которых мембрана

эритроцитов легко проницаема.

Постоянное поглощение кислорода из альвео-

лярного воздуха и выделение СО

при выдыхании

обеспечивают непрерывное протекание всех выше-

упомянутых реакций.