Довольно любопытной особенностью в механизме функционирования «молекулярного легкого» является своеобразная кооперация гемов одной молекулы гемоглобина, заключающаяся в том, что все четыре гемма работают не порознь, а вместе и согласованно: каждую следующую молекулу кислорода гемоглобин захватывает (и отдает) легче, чем предыдущую. То есть каждый гем каким-то непонятным путем «узнает», присоединили соседние гемы кислород или еще нет.
Еще в 1970 году лауреат Нобелевской премии англичанин Макс Перутц выдвинул гипотезу, которая, по его мнению, объясняла механизм работы гемоглобина.
Ее суть Перутц пояснил на следующем примере. Представьте, говорил ученый, что четыре человека, взявшись за руки, образовали круг. Каждый из них должен поймать мяч, который бросает кто-то находящийся вне круга. Человек, который ловит мяч первым, испытывает больше всего трудностей, поскольку ему необходимо освободить обе руки. Второму поймать мяч легче, так как одна рука у него уже свободна. Проще же всего завладеть мячом последнему из этой четверки, потому что он никоим образом не связан с соседями. Ну и, конечно же, людям, стоящим лицом к мячу, поймать его легче, чем тем, кто стоит к нему спиной.
Лауреат Нобелевской премии Макс Перутц
Если же эту игру экстраполировать на работу гемоглобина, то первая молекула кислорода присоединяется к нему труднее всего. Затем, по мере насыщения кислородом, солевые мостики между цепями гемоглобина разрываются, и молекула из дезоксиформы превращается в оксиформу, то есть из структуры, которой вступить в реакцию с кислородом сложнее, в ту, которой это сделать легче. И чем обильнее насыщается кровь кислородом, тем большее количество молекул гемоглобина приобретает оксиструктуру.
Всего же в одном эритроците, диаметр которого всего 7 микрон, находится 280 миллионов молекул гемоглобина, каждая из которых состоит из 10 тысяч атомов. В целом же в организме человека циркулирует около 25 триллионов эритроцитов. Общая же площадь их поверхности составляет 3800 квадратных метров.
Но в этом невероятно огромном количестве эритроцитов содержится всего 2,45 грамма железа, благодаря которым мы дышим! А ведь столько весит небольшой железный гвоздик, который, условно говоря, позволяет нам жить, так как именно железо в легких присоединяет кислород и в тканях отдает его.
Кроме того, благодаря железу кровь человека, как и у всех позвоночных животных, имеет красный цвет. Впрочем, она такого же цвета у некоторых моллюсков, дождевых червей, пиявок…
В том, что гемоглобин находится в эритроцитах, есть своя логика. И зиждется она на том факте, что в жидкой части крови, т. е. в плазме, находятся белки, которые обладают так называемым онкотическим давлением – способностью удерживать воду около себя, препятствуя ее проникновению внутрь капилляров через их стенки. Но так как гемоглобин тоже белок, то, будучи растворенным в плазме, он резко увеличивал бы ее поглощающую способность. В результате кровеносные сосуды переполнились бы водой, которую всасывали бы из тканей загустевшие концентрированные плазменные белки.
Подобное явление иногда встречается в реальной жизни. Происходит это при отравлениях кислотами или при неправильных переливаниях крови. В этих случаях стенки эритроцитов разрушаются, и гемоглобин поступает в плазму. А поскольку вернуть его обратно в эритроциты уже нельзя, то приходится выводить его наружу. А вместо поврежденной собственной крови больного вливать ему донорскую.
Для этого из одного кровеносного сосуда выпускают 3–5 литров «дефектной» крови, и в то же самое время в другой сосуд вливают такое же количество заранее заготовленной здоровой донорской крови.
Иногда, чтобы растворенный гемоглобин не забивал почки, в кровь больного в большом количестве вводят щелочные растворы. Затем вливают препараты, стимулирующие мочеотделение. В этом случае сначала идет темно-красная, потом красная, розовая и, наконец, светло-желтая моча.
Что же касается «деловых качеств» гемоглобина, то каждый его грамм может связать 1,34 миллилитра кислорода. Если же вспомнить, что в 100 миллилитрах крови здорового человека содержится 15 граммов гемоглобина, то расчеты показывают, что это количество крови может обогатиться 20 миллилитрами кислорода. Иначе говоря, содержание кислорода в нормальной крови будет равно 20 объемным процентам.
Какие же условия должны соблюдаться, чтобы гемоглобин максимально загрузился кислородом?
В практическом плане эти условия связаны с процессом перехода кислорода из альвеол в эритроцит. А этот процесс, в свою очередь, обусловлен формой эритроцита, который, как мы уже знаем, представляет собой двояковогнутый диск.
Такая форма наиболее выгодна для быстрой диффузии молекул кислорода вглубь эритроцита, так как при такой конфигурации диффузионная поверхность увеличивается, а диффузное расстояние, которое необходимо преодолеть молекулам кислорода, уменьшается.
Кроме того, благодаря такой форме эритроциты могут проскальзывать через тонкие извитые капилляры.
Однако как бы тесно на первый взгляд ни соприкасался диск эритроцита со стенкой капилляра, между ними всегда находится слой плазмы. И именно только через нее эритроцит получает кислород в альвеолах и отдает его тканям: правда, попав в плазму, кислородные молекулы сами пробиваются сквозь стенку капилляра в сторону тканевых клеток.
Хотелось бы обратить особое внимание на то обстоятельство, что хотя в плазме растворяется очень мало кислорода (всего 0,3 миллилитра на 100 миллилитров крови), но именно этот скудный объем газа определяет степень кислородной загрузки эритроцитов! Как только количество кислорода в плазме уменьшается, этот дефицит сокращается за счет дополнительных поступлений из эритроцитов.
Когда здоровый человек дышит обычным воздухом, в альвеолах содержится столько кислорода, что молекулы его создают в плазме протекающей крови напряжение около 100 мм ртутного столба, что позволяет почти полностью загрузить эритроциты кислородом. То есть в этом случае насыщение гемоглобина приближается к 100 %, поэтому и кровь в артериях становится ярко-алой.
Но бывает, что загрузка гемоглобина снижается и кровь начинает поставлять в ткани недостаточное количество кислорода: тогда артериальная кровь темнеет и возникнет артериальная гипоксия.
Это может иметь место в двух случаях.
Во-первых, гипоксия может появиться тогда, когда скорость движения крови по легочным капиллярам возрастет в 3 раза, и она будет проскакивать через них всего за 1/4 секунды: в этом случае нужное количество кислорода просто не успеет раствориться в плазме.
Такое состояние бывает у больных с большой кровопотерей, у которых в сосудах остается совсем мало крови, и, чтобы обслужить весь орган, ей надо часто-часто «забегать» в легкие за кислородом.
Второй случай недонасыщения крови кислородом возникает тогда, когда утолщается стенка альвеолы (воспаление легких), либо увеличивается расстояние между этой стенкой и капилляром, что происходит, например, при отеке легких. В этом случае молекулы кислорода «пробиваются» через новые препятствия с трудом: напряжение кислорода в плазме падает со всеми вытекающими отсюда последствиями.
