Научноисследовательская работа студентки 4 курса Направления подготовки 06. 03. 01 Биология Профиль Биохимия

• Название: Научноисследовательская работа студентки 4 курса Направления подготовки 06. 03. 01 Биология Профиль Биохимия
• Дата: 11.05.2023
• Размер: 1.18 Mb.
• Имя файла: Otchet_NIR.docx
• Тип: Научно-исследовательская работа; #1122470
• страница: 5 из 10

Уравнения кривой оксигенации гемоглобина

Кривая оксигенации гемоглобина. Если использовать принятую в физической химии терминологию, то кривая оксигенации гемоглобина демонстрирует количественные отношения между величиной парциального давления кислорода над кровью и количеством кислорода, Ц которое связывается гемоглобином при данном парциальном давлении газа [4]. С физиологической точки зрения кривая оксигенации гемоглобина ключ к пониманию процесса транспорта кислорода от легких к крови и от крови к тканям. Эта кривая заключает в себе огромный объем f информации.

Оксигенация гемоглобина — это процесс присоединения кислорода к гемоглобину. Обратный процесс — отсоединение кислорода от гемоглобина называется диссоциацией оксигемоглобина. В состоянии равновесия эти две реакции являются обратимыми и имеют одинаковые скорости. Поэтому для состояния термодинамического равновесия выражения «кривая оксигенации гемоглобина», «кривая оксигенации оксигемоглобина», «равновесная кривая оксигенации» эквивалентны. В литературе используют все эти выражения, но для сокращенной записи наиболее распространено обозначение КДО — кривая оксигенации оксигемоглобина.

Уравнение Гюфнера. Одна из самых первых работ по математическому описанию экспериментальных данных кривой оксигенации гемоглобина. Гюфнер предположил, что при оксигенации гемоглобина происходит реакция первого порядка [6].

Применяя закон действующих масс, Гюфнер получил выражение для описания равновесной кривой оксигенации гемоглобина: НЬ02 =±Р_ (1А2) НЪ + НЪ02 \ + к-р v где у степень насыщения гемоглобина кислородом; р — парциальное давление кислорода; к=— константа равновесной реакции оксигенации гемоглобина; a,fiкинетические коэффициенты.

Основным недостатком данного описания является то, что уравнение неспособно описать S образный характер кривой гемоглобина человека.

Уравнение Хилла. Хилл предложил считать молекулу гемоглобина полимерной молекулой, степень полимеризации которой равна h [7]. При этом он считал, что к молекуле гемоглобина могут одновременно присоединяться все h молекул кислорода: (Hb)h + НОг aJt (Hb02)h, (1.4.3) т. е. в растворе происходит химическая реакция к го порядка. При помощи закона действующих масс Хилл получил уравнение равновесной кривой оксигенации гемоглобина: .к-р" (pfPsJ П44Ї где k=alft = plb\ /730давление кислорода при у = 50%.

Уравнение Хилла в отличие от уравнения Гюфнера описывало S образную форму кривой оксигенации гемоглобина, но при этом значение степени полимеризации h оказывалось величиной дробной и зависящей от парциального давления кислорода в растворе. При дальнейших исследованиях было установлено, что взаимодействие гемоглобина с кислородом не является химической реакцией h — го порядка. В связи с этим уравнение Хилла утратило свой физический смысл, но оно довольно широко используется до сих пор в качестве простой аппроксимации кривой оксигенации.

Уравнение Эйдера. В связи с открытием того, что в молекуле гемоглобина содержатся четыре активных центра, Эйдер выдвинул гипотезу о последовательном четырехступенчатом заполнении гемоглобина кислородом [9]. Согласно ей насыщение гемоглобина кислородом последовательно проходит четыре стадии: коэффициенты Эйдера; ki=ailfii (/ = 1,4) равновесные константы реакции. Уравнение Бернарда. Бернард взял за основу предположение Ваймана Алена [2] о том, что к молекуле гемоглобина могут одновременно присоединяться две молекулы кислорода [2]. В результате он получил следующее уравнение кривой оксигенации:

Уравнение Высочиной. Высочина считала, что реакцию оксигенации гемоглобина нельзя считать равновесным процессом, следовательно, к ней нельзя применять закон действующих масс [22]. Поэтому она, используя выражение для переходного процесса, получила уравнение: = 1-11+ + 1+ 1 . (1.4.9)

В дальнейшем это уравнение было исследовано в работе [3], в которой автор показал, что параметр Ъ не является постоянной величиной, а зависит от давления.

Уравнение Подрабинека Каменского. Подрабинек и Каменский предположили, что процесс взаимодействия гемоглобина с кислородом является реакцией первого порядка. При этом константа равновесной реакции пропорциональна степени деформации молекулы, которая в свою очередь экспоненциально зависит от давления кислорода [24].

5. Метод неопределенных множителей Лагранжа. Законы сохранения

Для подтверждения термодинамической модели взаимодействия гемоглобина с кислородом, полученной в предыдущей главе, и нахождения параметров рассмотрим экспериментальные данные по стандартной кривой оксигенации гемоглобина.

Стандартная кривая оксигенации это кривая оксигенации гемоглобина, измеренная в условиях, которые обычно существуют в крови здорового взрослого человека в состоянии покояВ стандартных условиях Т=37С, кислотность крови рН=7,4 ед,, напряжение углекислого газа рСОг-40 мм. рт. ст.

С этой целью результаты расчетов по данной формуле сопоставлялись с экспериментальными значениями стандартной кривой оксигенации гемоглобина человека, которая приведена в работе [81]. При моделировании не учитывалось влияние ОН группы. Подбор параметров облегчался тем, что они по-разному влияют на к вид кривой оксигенации. Изменение энергии кооперативного взаимодействия изменяет S образный характер кривой оксигенации гемоглобина. Изменение свободной парциальной энергии присоединения одной молекулы кислорода приводит к смещению расчетной кривой вдоль оси абсцисс. Со вмещая расчетную кривую с экспериментальной методом минимизации Глава З среднеквадратичного отклонения находим: Ag0 = -0.58э5. Изменение энергии кооперативного взаимодействия изменяет S — образный характер кривой. Наилучшее совпадение было получено при значении энергии кооперативного взаимодействия: =-0.005795. Энергия присоединения молекулы углекислого газа взята из работы [4]: Agco = -0.83эВ.

Стандартная кривая оксигенации. Точками представлены экспериментальные данные [8]. Сплошной линией представлена теоретическая кривая.

Величина кооперативного эффекта определяется константой Хилла п, которую берут из уравнения Хилла. Вычисляя п по формуле Хилла следует указывать, какому уровню он соответствует. Из уравнения Хилла следует, что чем больше степень насыщения, тем больше п. Поэтому обычно принято измерять данную величину в области, соответствующей 50% заполнению гемоглобина кислородом. При n = 1 кооперативи ость отсутствует, п 1 положительная кооперативное, п 1 отрицательная. Максимальное значение п равно числу центров связывания.

Один из способов нахождения коэффициента Хилла состоит в построении графика оксигенации гемоглобина в логарифмических координатах. Откладывая \g(y/\00 y) против lgp02 получают спрямленные графики диссоциации, располагающиеся под углом а к оси абцисс. Величина п = tga в области полунасыщения гемоглобина кислородом.

Зависимость степени насыщения гемоглобина кислородом от парциального давления кислорода. О количество гемоглобина без кислорода, 1одна молекула кислорода, 2 две молекулы кислорода, 3 три молекулы кислорода, 4 полностью заполненный гемоглобин.

Так как макромолекула гемоглобина легче связывается с молекулой кислорода чем с молекулой углекислого газа, то кривая 2 повторяет S образность кривой 1. Кроме того, на полученной модельной кривой хорошо видно, что при малом парциальном давлении кислорода гемоглобин полностью не заполняется углекислым газом, что согласуется с данными других авторов [4].

Можно выделить две фазы процесса: до кооперативного взаимодействия и проявление взаимодействия. Первая фаза приходится на начало кривой при р02 менее 10 мм. рт. ст. (для гемоглобина человека), когда степень оксигенации мала, как и вероятность того, что кислород связывается в макромолекуле гемоглобина с двумя и более гемами [4]. На данной стадии процесса в большинстве тет-рамеров в оксигенацию включается по одному гему, которые связывают по одной молекуле кислорода. На второй фазе процесса с увеличением рОг число тетрамеров, связывающих более одной молекулы кислорода растет и появляются полностью насыщенные кислородом макромолекулы. В тетра-мерах начинает проявляться кооперативный эффект, выражающийся в том, что кривая диссоциации гемоглобина приобретает изгиб вверх, в область больших насыщений. Это происходит при насыщении на 20-25% [4]. Согласно [7], наибольшее взаимодействие между субъединицами проявляется тогда, когда оказываются связанными три молекулы лиганда.

В предложенной зависимости хорошо видно действие кооперативного эффекта. В области малых давлений кислорода почти весь гемоглобин освобожден от атомов кислорода. С увеличением давления кислорода число заполненных молекул гемоглобина резко увеличивается. При этом число молекул полностью заполненного гемоглобина намного больше, чем заполненного частично. Данный факт объясняется тем, что гемоглобин, содержащий хотя бы один атом кислорода, гораздо эффективнее присоединяет остальные. В этом и состоит сущность кооперативного эффекта.

Кооперативное взаимодействие приводит к тому, что гемоглобин наиболее эффективно отдает кислород при давлении 30-40 мм.рт.ст. (что соответствует парциальному давлению кислорода в органах человека) и эффективно связывается с ним при 80-100 мм.рт.ст (что соответствует парциальному давлению кислорода в легких человека).