Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие гемоглобина с кислородом (литературный обзор) 9
1.1. Гемоглобин. Общие сведения 9
1.2. Кооперативное взаимодействие 12
1.3. Эффект Бора , . 15
1.4. Уравнения кривой оксигенации гемоглобина 17
1.5. Модели гемоглобина 22
1.6. Модели неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом 31
ГЛАВА 2. Термодинамика взаимодействия гемоглобина с кислородом 33
2.1. Модельные представления, используемые для описания взаимодействия гемоглобина с кислородом 33
2.2. Свободная энергия системы гемоглобин - лиганды 36
2.3. Метод неопределенных множителей Лагранжа. Законы сохранения ...38
2.4. Минимизация свободной энергии Гиббса 39
2.5. Выводы ко второй главе 44
ГЛАВА 3. Описание экспериментальных данных. определение параметров модели 45
3.1. Описание кривой диссоциации оксигемоглобина. Определение параметров взаимодействия гемоглобина человека с кислородом ,.45
3.2. Расчет коэффициентов Эйдера 54
3.3. Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора) 57
Содержание
3.4. Моделирование процесса насыщения различных органов кислородом в условиях высокогорной гипоксии 61
3.5. Выводы ктретьей главе 68
ГЛАВА 4. Описание неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом 70
4.1. Кинетические уравнения взаимодействия гемоглобина с кислородом 70
4.2. Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине 73
4.3. Определение кинетических коэффициентов взаимодействия гемоглобина с кислородом в растворе 77
4.4. Определение кинетических коэффициентов взаимодействия гемоглобина с кислородом в эритроцитах 80
4.5. Исследование кинетики взаимодействия гемоглобина с кислородом при различных физиологических условиях 83
4.6. Выводы к четвёртой главе 90
Заключение 91
Выводы к диссертации :...92
Список работ автора диссертации 93
Список литературы
- Уравнения кривой оксигенации гемоглобина
- Метод неопределенных множителей Лагранжа. Законы сохранения
- Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора)
- Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Важнейшей функцией организма, определяющей характер и уровень энергетических процессов, является дыхание, т.е. обеспечение организма кислородом. Экспериментальные данные показали, что на процесс присоединения (отдачи) кислорода к гемоглобину оказывают влияние различные факторы: взаимодействие между молекулами кислорода, присоединившимися к гемоглобину (кооперативное взаимодействие); взаимодействие молекул кислорода с водородом (эффект Бора), присоединяющимся к белковой части гемоглобина; наличие в среде, окружающей гемоглобин, кислорода, углекислого газа; температура и др. Характеристикой процесса взаимодействия гемоглобина с кислородом является кривая диссоциации оксигемоглобина (КДО) - зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом от давления кислорода.
Попытки описать КДО с помощью математических методов принимались неоднократно, однако большая часть данных выражений носит эмпирический характер, являясь по сути дела аппроксимациями различной степени сложности. До сих пор нет удовлетворительной теории, описывающей изменения кривой оксигенации, связанной с изменением физиологических параметров крови (температуры, кислотности, давления углекислого газа).
Наличие физических моделей взаимодействия гемоглобина с кислородом может стать основой для разработки методов адаптации человека к техногенной среде, экстремальным условиям жизни, ответить на вопрос - является ли процесс дыхания оптимальным, а также использоваться при создании заменителей крови и различных лекарственных препаратов.
В данной работе предложены термодинамическая и кинетическая модели взаимодействия гемоглобина с кислородом, которые учитывают различные физиологические параметры крови.
Введение
Целью работы является разработка физической модели взаимодействия макромолекул гемоглобина с кислородом, которая учитывает влияние парциального давления кислорода, углекислого газа, кислотности и температуры крови.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка термодинамической модели кооперативного
взаимодействия гемоглобина с кислородом, которая учитывает парциальное
давление кислорода, углекислого газа, кислотность и температуру крови.
2. Нахождение энергетических параметров термодинамической модели
из описания экспериментальных данных по кривой диссоциации
оксигемоглобина.
Разработка кинетической модели взаимодействия макромолекул гемоглобина с кислородом, которая учитывает парциальное давление кислорода, углекислого газа, кислотность и температуру крови.
Описание экспериментальных данных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом, с целью нахождения соответствующих кинетических коэффициентов.
Моделирование процесса дыхания при различных физиологических параметрах крови, в том числе различных органов в условиях нормоксии и гипоксии.
Научная новизна.
1. Разработана термодинамическая модель взаимодействия
гемоглобина с кислородом, учитывающая кооперативный эффект,
парциальное давление кислорода, углекислого газа, кислотность и
температуру крови.
2. Показано, что за процесс взаимодействия макромолекулы
гемоглобина с протонами водорода отвечают два различных типа связи.
3. Разработана кинетическая модель для описания неравновесных
процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом, учитывающая
кооперативный эффект, парциальное давление кислорода, углекислого газа,
кислотность и температуру крови.
Введение
4. Показана возможность применения разработанной физической модели для описания процессов насыщения кислородом различных органов в условиях нормоксии и гипоксии.
Результаты, имеющие практическую ценность.
1. Получено выражение для описания КДО. и коэффициентов Эйдера в
зависимости от физиологических параметров крови.
2. Предложен алгоритм обработки различных экспериментальных
данных с целью получения термодинамических и кинетических параметров
взаимодействия макромолекулы гемоглобина с кислородом.
3. Найдены следующие энергетические параметры: энергия
присоединения молекулы кислорода к макромолекуле гемоглобина, энергия
кооперативного взаимодействия молекул кислорода, энергия
конформационного взаимодействия протонов водорода с молекулами
кислорода.
Определены кинетические коэффициенты прямой и обратной реакции взаимодействия гемоглобина с кислородом в эритроцитах и плазме крови в зависимости от физиологических параметров крови.
Полученная физическая модель может быть использована для моделирования процессов насыщения кислородом различных органов в техногенной среде, экстремальных условиях жизни (в частности в условиях гипоксии).
Положения, выносимые на защиту:
1. Кооперативное взаимодействие кислорода в макромолекуле
гемоглобина приводит к увеличению энергии связи кислорода в гемоглобине,
при этом данная энергия меняется в диапазоне от -0.583 эВ до -0.621 эВ при
последовательном присоединении 4-х молекул кислорода
2. Сдвиг КДО при изменении кислотности крови связан с присутствием
двух различных типов конформационного взаимодействия молекул
кислорода с протонами водорода, характеризующимися следующими
Введение
энергиями связи с макромолекулой гемоглобина:
AgHtl=-Q.53B,.AgHa=-03sB.
3. Особенности насыщения кислородом различных органов и адаптация
* процесса дыхания в условиях высокогорной гипоксии обусловлена
изменением физиологических параметров крови.
4. Скорость реакции присоединения кислорода к макромолекуле
гемоглобина в растворе примерно в 40 раз больше, чем в эритроцитах.
Апробация работы: Основное содержание работы докладывалось на научных семинарах и конференциях на физико-техническом факультете в Ульяновском государственном университете. По материалам диссертации были представлены доклады и тезисы на следующие семинары и конференции: международные конференции "Проблемы адаптации к экстремальным условиям среды" (г. Ульяновск 2003), "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (г. Ульяновск 2002, 2003), "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы" (г. Сочи, 2004),
*J Личное участие автора. В диссертационной работе изложены
результаты, полученные как лично автором, так и в соавторстве. Основные теоретические положения разработаны совместно с профессором, д.ф.-м.н. Булярским СВ. и д.ф.-м.н. Светухиным В.В. Интерпретация экспериментальных данных по высокогорной гипоксии выполнена совместно с профессором, д.б.н. Балыкиным М.В. Численное моделирование, обработка экспериментальных данных и нахождение параметров модели выполнено автором самостоятельно.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов
*' подтверждается соответствием полученных расчетов, с различными
экспериментальными данными других авторов. Результаты всех основных исследований обсуждались на российских и международных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных изданиях.
Введение
Публикации.
Основное содержание работы изложено в 8 публикациях. Список приводится в конце диссертации.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Материал изложен на 103 страницах, включает 26 рисунков, 8 таблиц и библиографический список из 110 наименований.
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. Глава 1
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 [16].
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,fi- кинетические коэффициенты.
Основным недостатком данного описания является то, что уравнение (1.4.2) неспособно описать S - образный характер кривой гемоглобина человека.
Уравнение Хилла. Хилл предложил считать молекулу гемоглобина полимерной молекулой, степень полимеризации которой равна h [17,18]. Глава 1 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\ /730- давление 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 [19]. Согласно ей насыщение гемоглобина кислородом последовательно проходит четыре стадии: коэффициенты Эйдера; ki=ailfii (/ = 1,4) - равновесные константы реакции (1.4.5). Уравнение Бернарда. Бернард взял за основу предположение Ваймана - Алена [20] о том, что к молекуле гемоглобина могут одновременно присоединяться две молекулы кислорода [21]. 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 [23], 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].
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 покоя- В стандартных условиях Т=37С, кислотность крови рН=7,4 ед,, напряжение углекислого газа рСОг-40 мм. рт. ст.
В работе подбирались параметры формулы (2.4.31). С этой целью результаты расчетов по данной формуле сопоставлялись с различными экспериментальными данными Величины Ag0i, W0 , Х0г находились из описания стандартной кривой оксигенации человека, a AgHa, Ag/M,
были получены при описании эффекта Бора. 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. Полученные результаты показаны на рис. 3.1.
Стандартная кривая оксигенации. Точками представлены экспериментальные данные [81]. Сплошной линией представлена теоретическая кривая.
В табл.3.1 представлены значения энергий присоединения кислорода к макромолекуле гемоглобина с учетом кооперативного взаимодействия, полученные при описании кривой оксигенации. Из выражения (2.2.3) можно получить:
Величина кооперативного эффекта определяется константой Хилла п, которую берут из уравнения Хилла (1.4.4). 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.
Найденный в данной работе коэффициент Хилла (рис. 3.2) равен п=2.6. В работе (Северин) величина п для гемоглобина человека равна Определение коэффициента Хилла из тангенса угла наклона модельной кривой в области, соответствующей 50% заполнению гемоглобина кислородом.
Зависимость степени насыщения гемоглобина кислородом от парциального давления кислорода. О - количество гемоглобина без кислорода, 1- одна молекула кислорода, 2 - две молекулы кислорода, 3 - три молекулы кислорода, 4 - полностью заполненный гемоглобин.
На рис.3.3 изображена зависимость степени заполнения гемоглобина человека кислородом и углекислым газом от парциального давления кислорода. Как видно, кривая, описывающая взаимодействие гемоглобина с углекислым газом имеет S - образную форму. 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].
На рис.3.4 показано распределение гемоглобина с разной степенью заполнения кислородом от парциального давления кислорода. Данная зависимость получена из выражения (2.4.25) при различных значениях индекса і, нормированного на общее количество гемоглобина и умноженного на 100 процентов. На графике диссоциации НЬ02можко 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 [37], 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).
Определение параметров взаимодействия гемоглобина с протонами водорода (эффект Бора)
Краткосрочные механизмы адаптации могут быть эффективны только на относительно небольших высотах и в течение непродолжительного времени [84]. К таким механизмам относятся увеличенная нагрузка на сердце и дыхательную мускулатуру.
Долговременные процессы адаптации заключаются в механизмах утилизации кислорода, в повышении экономичности использования ресурсов, имеющихся в распоряжении организма. К таким механизмам относятся активация железосодержащего белка [87], создающего комплексный ответ на долговременную гипоксию, которым является рост сосудистой сети в легких [88], увеличение емкости сосудистого русла. При длительном воздействии на организм высотной гипоксии также наблюдается перестройка деятельности основных регуляторных систем, что влечет за собой ускорение метаболических процессов [89]. В физиологии компенсации гипоксии также встречаются совсем необычные теории. Примером такой работы является обзор Люнгмюра [90], в которой автор высказывает мысль о возникновении особого вида тканей с повышенной проницаемостью для кислорода.
В настоящей работе используются экспериментальные данные по высокогорной гипоксии, полученные Балыкиным М. В. [91]. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что в условиях высокогорной гипоксии напряжение кислорода в артериальной крови снижается на 25,5 и 30,0 мм рт.ст. на 5 и 30 сутки адаптации, соответственно. При этом насыщение гемоглобина кислородом снижается лишь на 3,2 и 3,9% (Р 0,001), т.е. в условиях выраженной артериальной гипоксемии оксигена-ция гемоглобина в легких достаточно эффективна, чтобы обеспечить высокий массоперенос 02 к тканям. В смешанной венозной крови эти соотношения изменяются. При падении насыщения гемоглобина кислородом при гипоксии на 2,2 и 11,2 %, напряжение кслорода в смешанной венозной крови снижается лишь на 3,4 и 6,0 мм рт.ст., что свидетельствует о незначительном снижении кислорода в тканях, одним из важных механизмов Глава З
Модель кривых диссоциаций оксигемоглобина для крови собак, построенных с учетом реальных рН, рС02 и ТС. 1) нормоксия ; 2) 5-е сутки гипоксии; 3) 30-е сутки гипоксии. Точки - экспериментальные данные: Х- контроль; D - 5-е сутки; О - 30-е сутки. Пунктирные линии - Р50 при нормоксии (а), на 5 (Ь), на 30 (с) сутки действия гипоксии. поддержания которого является изменение сродства гемоглобина к кислороду.
Известно, что в физиологических условиях сродство гемоглобина к кислороду зависит от целого ряда факторов, включая изменения парциального давления углекислого газа, кислотности и температуры крови, реальные изменения которых представлены в табл.3.5, 3.6. При этом описанные выше показатели парциального давления кислорода и насыщение гемоглобина кислородом артериальной и смешанной венозной крови измерялись без учета факторов влияющих на оксигенацию и дезоксигенацию гемоглобина в реальных условиях кровеносного русла.
Для того, чтобы проанализировать реальные изменения сродства НЬ к кислороду в системе кровообращения была использована описанная выше термодинамическая модель построения кривой диссоциации оксиге Глава З моглобина с учетом экспериментально измеренных Р02, рН, рС02 и ТС (табл.3.5, 3.6). Видно, что расчетные данные по процентному заполнению гемоглобина кислородом хорошо согласуются с экспериментом. Наблюдаемое отличие находится в пределах 5%. При этом были получены следующие параметры модел
При моделировании кривой диссоциации оксигем о глобина отдельно учитывались характеристики газового состава и рН крови при нормоксии и в разные периоды пребывания в условиях гипоксии. Используя описанные выше математические выражения, были построены три кривых диссоциации оксигемоглобина (рис.3 Л2), которые позволяют проанализировать зависимость р02 и S02 , характеризующие средства гемоглобина к кислоро ду в крови легочных и тканевых капилляров. Анализ этих данных свиде тельствует, что при гипоксии кривые диссоциации оксигемоглобина сдвигаются влево [92,7], что указывает на тенденцию к увеличению сродства гемоглобина к кислороду, которая наиболее выражена в первые дни адаптации [92].
Учитывая изменения газового состава крови (табл.3.5, 3.6), можно было предположить изменение сродства гемоглобина к кислороду при гипоксии. В частности, снижение концентрации протонов водорода, давления углекислого газа и тенденция к повышению температуры крови «ядра» являются факторами, повышающими сродство гемоглобина к кислороду, однако насколько оно велико, количественно оценить невозможно. Математически построенные кривые представляют такую возможность и позволяют оценить зависимость насыщения гемоглобина кислородом от парциального давления кислорода в любых пределах их изменений. В качестве примера можно привести показатель Р50, (напряжение кислорода при 50-ти процентном насыщении им гемоглобина), принятый в физиологических исследованиях для оценки сродства гемоглобина к кислороду [93]. Показатель Р50 (Рис.3.12), рассчитанный для нормоксии, составил 32,0 мм рт.ст., что соответствует данным литературы для крови собак [94]. На 5 и 30 сутки воздействия гипоксии Р50 снизилось до 26,0 и 29,0 мм рт.ст., что свидетельствует о повышении сродства гемоглобина к кислороду в первые дни с тенденцией к его нормализации в поздние сроки адаптации, что так У же соответствует литературным данным [4,95].
Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине
Большой интерес представляет собой различия скоростей реакций взаимодействия гемоглобина с кислородом в растворе и в целых эритроци Глава 4
тах. Одна из работ по данной проблеме принадлежит Мелдону [109]. Согласно обзору данных и исследованию автора, мембрана эритроцита вопреки известным предположениям не является причиной замедления диффузии кислорода. Измерение коэффициента диффузии кислорода через мембрану эритроцитов дало цифру 0.7-КГ см1 І с, что примерно в 5 раз меньше чем для воды. Чтобы объяснить фактическое замедление диффузии, коэффициент должен быть примерно в 100 раз меньше, чем у воды, т. е. порядка 1.2-10"7 елі2 /с. Как отмечает Мелдон, распространено мнение, что диффузию кислорода в эритроцит замедляет неподвижный слой молекул плазмы, прилегающий к мембране эритроцита снаружи и достигающий толщины 5 мкм. В работе [ПО], показано, что слой жидкости между стенкой легочного капилляра и эритроцитом не превышает в среднем 0.15 мкм. Кроме того, при прохождении через капилляр эритроцит постоянно вращается в силу чисто физических причин. Поэтому слой жидкости как препятствие диффузии кислорода можно рассматривать лишь для экспериментальных условий в искусственной среде. Препятствием диффузии может служить сама «толща» гемоглобина. Кроме того, по мнению [12] важное значение имеет различие кислородсвязывающих свойств гемоглобина в эритроците и растворе. Высокая концентрация гемоглобина в эритроците (около 33%), наличие солей, ДФГ и других веществ уменьшают его сродство к кислороду и замедляют соответствующую реакцию. В растворе все вышеперечисленные факторы не действуют.
На рис.4.6 показана зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса оксигенации при разных значениях кислотности. Видно, что модельные кривые хорошо описывают экспериментальными данными. В данном случае значение параметра а для процесса оксигенации составило: а = 0.9 10э м% /(с моль).
Зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса дезоксигенации изображена на рис.4.7. Глава 4
Здесь также наблюдается хорошее сравнение с экспериментом. Символы -экспериментальные данные для различного начального заполнения. Кривые - моделирование. В данном случае значение параметра а для процесса диссоциации составило: а = 1.3 103 м3 /(с моль).
Зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса оксигенации. Точки -экспериментальные данные. Кривые - моделирование. 1- на 1ь чальная степень заполнения гемоглобина кислородом - 90%. 2
Зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом в эритроцитах от времени для процесса дезоксигенации. Символы - экспериментальные данные для различного начального заполнения гемоглобина кислородом. Кривые - моделирование.
Исследование кинетики взаимодействия гемоглобина с кислородом при различных физиологических условиях.
Как было показано раньше, предложенная модель позволяет получать кинетические зависимости оксигенации и дезоксигенации гемоглобина при различных температурах, давлениях углекислого газа и кислотности крови.
На рис.4.8 изображены модельные зависимости степени заполнения гемоглобина кислородом в растворе от времени для процесса оксигенации при различных температурах. 1- Т=42С, 2 — Т=37С, 3- Т=32С. Начальное парциальное давление кислорода составило 10 мм.рт.ст.. Система выводилась из равновесия путем повышения парциального давления кислорода с 10 до 50 мм.рт.ст. Глава 4
На рис.4.9 изображены модельные зависимости степени заполнения гемоглобина кислородом в растворе от времени для процесса дезоксигена-ции при различных температурах. 1- Т=32С, 2 - Т=37С, 3- Т=42С. Начальное парциальное давление кислорода составило 50 мм.рт.ст.. Система выводилась из равновесия путем снижения парциального давления кислорода до 10 мм.рт.ст.
Как было показано во 2 главе, реакция оксигенации экзотермическая, то есть происходит с выделением тепла. Следовательно, реакция диссоциации происходит с поглощением тепла. Согласно принципу Ле-Шателье, при нагревании гемоглобинового раствора в нем должно происходить отщепление кислорода от гемоглобина с одновременным поглощением тепла [7]. Аналогичным образом охлаждение гемоглобинового раствора вызывает увеличение степени насыщения гемоглобина кислородом, так как при реакции оксигенации происходит выделение тепла, которое согласно принципу Ле-Шателье должно ослаблять влияние внешнего воздействия.
