§ Б-11 Транспорт кисню гемоглобіном: алостерична кооперативність (T ↔ R) і ефект Бора (10–11 клас · Дихання та ефект Бора)
Тетрамер α₂β₂ з 4 гемами Fe²⁺, кооперативна сигмоїда Гілла (n ≈ 2.8), міоглобін і зсув кривої Бора. «Приєднання першої молекули O₂ до заліза Fe²⁺ одного гему переводить тетрамер гемоглобіну з напруженої T-форми у релаксовану R-форму, підвищуючи спорідненість решти субодиниць до кисню у десятки разів.»
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Гемоглобін A ( extHbA) еритроцитів людини є алостеричним білком-тетрамером α₂β₂, кожна з чотирьох субодиниць якого містить залізопорфіринову простетичну групу, гем із двовалентним іоном Fe²⁺ (при зворотному приєднанні молекули O₂ ступінь окиснення заліза +2 залишається незмінним). На відміну від одноланцюгового м’язового міоглобіну (n = 1, гіперболічна крива з P₅₀ ≈ 2.8 мм рт. ст.), гемоглобін демонструє позитивну кооперативність зв’язування кисню.
Приєднання першої молекули O₂ зміщує іон Fe²⁺ у площину порфіринового кільця і викликає конформаційний перехід тетрамера з низькоспорідненого напруженого T-стану (дезоксигемоглобін) у високоспоріднений релаксований R-стан (оксигемоглобін). Це описується рівнянням Гілла Y = ((pO₂)^n)/((P₅₀)^n + (pO₂)^n) з коефіцієнтом кооперативності n ≈ 2.8 та P₅₀ ≈ 26.8 мм рт. ст., що забезпечує круту S-подібну криву: майже повне насичення в легенях (98% при 100 мм рт. ст.) і ефективну віддачу кисню в тканинах (pO₂ ≈ 25–40 мм рт. ст.).
За ефектом Христіана Бора, в активно працюючих тканинах накопичуються вуглекислий газ CO₂ та протони H⁺ (молочна і вугільна кислоти, зниження pH крові з 7.40 до 7.15–7.25), підвищується температура і вміст еритроцитарного 2,3-бісфосфогліцерату (2,3-БФГ). Усі ці фактори стабілізують T-конформацію, збільшують P₅₀ і зсувають криву дисоціації оксигемоглобіну праворуч, автоматично підсилюючи вивільнення O₂ саме там, де метаболічна потреба найвища.
Приклад із життя
Гемоглобін, це розумний чотиримісний «кисневий таксі-фургон» (4 геми Fe²⁺). Щойно в легенях сідає перший пасажир O₂, двері для решти трьох відчиняються значно ширше (кооперативність!). А коли фургон приїжджає у м’яз, що важко працює і виділяє кислоту ( extH⁺) та CO₂, ці сигнали (ефект Бора) змушують гемоглобін миттєво висадити пасажирів O₂ саме там, де вони найпотрібніші!
Контрольне запитання та розв’язання
Крива дисоціації оксигемоглобіну Y = ((pO₂)^n)/((P₅₀)^n + (pO₂)^n) має S-подібну (сигмоїдну) форму з коефіцієнтом кооперативності Гілла n ≈ 2.8, тоді як мономерний міоглобін має гіперболічну криву (n = 1). Як і чому змінюється напівнасичення гемоглобіну P₅₀ та віддача кисню в активно працюючих м’язах при зниженні pH і зростанні pCO₂ (ефект Бора)?
- А: При зниженні pH спорідненість гемоглобіну до O₂ зростає, і кисень не віддається тканинам
- Б: Підвищення концентрації H⁺ (зниження pH) і CO₂ стабілізує дезокси-форму (T-стан) гемоглобіну, збільшуючи P₅₀ і зсуваючи криву дисоціації праворуч, що посилює вивільнення O₂ саме в метаболічно активних тканинах
- В: Під час оксигенації залізо гему окиснюється з Fe²⁺ до Fe³⁺ (метгемоглобіну)
- undefined: Тетрамер гемоглобіну здатний зв’язати лише 1 молекулу O₂
Підказка: Зниження pH і ріст CO₂ стабілізують дезокси-форму (T-стан), збільшуючи P₅₀ і зсуваючи криву праворуч, що посилює віддачу кисню тканинам.
Доведення: Молекула гемоглобіну A є тетрамером α₂β₂, кожна з 4 субодиниць якого містить гем із двовалентним іоном Fe²⁺ (ступінь окиснення +2 при нормальній оксигенації не змінюється!). Завдяки позитивній кооперативності (n ≈ 2.8) у легенях при pO₂ ≈ 100 мм рт. ст. гемоглобін насичується на ≈ 98%, а у капілярах тканин (pO₂ ≈ 25–40 мм рт. ст.) легко віддає кисень. За ефектом Христіана Бора у працюючому м’язі накопичуються CO₂, молочна кислота (H⁺, падіння pH з 7.4 до 7.2) і росте температура; протони протонують гістидинові залишки гемоглобіну, стабілізуючи T-конформацію з нижчою спорідненістю до O₂. У результаті P₅₀ зростає (крива зсувається праворуч), і тканини отримують значно більше кисню.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
Ефект Бора: pH↓, pCO₂↑, T↑, [2,3-БФГ]↑ ⇒ P₅₀↑ (зсув праворуч → віддача O₂↑)
- Парціальний тиск кисню pO₂ (40, венозна кров тканин, 100, альвеоли легень): 10 … 110 мм рт.ст. (стандарт: 40 мм рт.ст.)
- pH крові (ефект Бора: 7.40, норма, 7.15, ацидоз працюючого м’яза): 7 … 7.6 од. pH (стандарт: 7.4 од. pH)
- Температура крові t (гіпертермія зсуває криву праворуч): 35 … 41 °C (стандарт: 37 °C)
- Рівень 2,3-бісфосфогліцерату (2,3-БФГ) в еритроцитах (високогірна адаптація): 0.5 … 2 ум.од. (стандарт: 1 ум.од.)