Эффект Бора

Не путать с уравнением Бора .

Кристиан Бор, которому приписывают открытие эффекта в 1904 году.

Эффект Бора — явление, впервые описанное в 1904 году датским физиологом Кристианом Бором . кривую Сродство гемоглобина к связыванию кислорода (см. диссоциации кислород-гемоглобин ) обратно пропорционально связано как с кислотностью, так и с концентрацией углекислого газа. То есть под эффектом Бора понимается сдвиг кривой диссоциации кислорода, вызванный изменением концентрации углекислого газа или pH среды. Поскольку углекислый газ реагирует с водой с образованием углекислоты , увеличение содержания CO ₂ приводит к снижению pH крови . в результате белки гемоглобина высвобождают свой груз кислорода. И наоборот, уменьшение содержания углекислого газа провоцирует повышение pH, в результате чего гемоглобин поглощает больше кислорода.

Экспериментальное открытие

Оригинальные кривые диссоциации из экспериментов Бора в первом описании эффекта Бора, показывающие уменьшение сродства к кислороду по мере увеличения парциального давления углекислого газа. Это также один из первых примеров кооперативного связывания . По оси X: парциальное давление кислорода в мм рт. ст. , по оси Y % оксигемоглобина . Кривые были получены с использованием цельной собак крови , за исключением пунктирной кривой, для которой лошадиная кровь . использовалась

В начале 1900-х годов Кристиан Бор был профессором Копенгагенского университета в Дании, уже хорошо известным своими работами в области физиологии дыхания. Последние два десятилетия он провел, изучая растворимость кислорода, углекислого газа и других газов в различных жидкостях. и провел обширные исследования гемоглобина и его сродства к кислороду. В 1903 году он начал тесно сотрудничать с Карлом Хассельбальхом и Августом Крогом , двумя его коллегами по университету, в попытке экспериментально воспроизвести работу Густава фон Хюфнера , используя цельную кровь вместо раствора гемоглобина. Хюфнер предположил, что кривая связывания кислорода с гемоглобином имеет гиперболическую форму. но после обширных экспериментов группа из Копенгагена установила, что кривая на самом деле имела сигмоидальную форму . Более того, в процессе построения многочисленных кривых диссоциации вскоре стало очевидно, что высокое парциальное давление углекислого газа вызывает сдвиг кривых вправо. Дальнейшие эксперименты с изменением концентрации CO ₂ быстро предоставили убедительные доказательства, подтвердив существование того, что вскоре стало известно как эффект Бора.

Споры

Еще ведутся споры о том, действительно ли Бор был первым, кто открыл связь между CO ₂ и сродством к кислороду, или же русский физиолог Бронислав Вериго опередил его в этом, якобы открыв этот эффект в 1898 году, за шесть лет до Бора. Хотя это никогда не было доказано, Вериго действительно опубликовал статью о взаимосвязи гемоглобина и CO ₂ в 1892 году. Предложенная им модель была ошибочной, и Бор резко критиковал ее в своих публикациях.

Еще один вызов открытию Бора исходит из его лаборатории. Хотя Бор поспешил присвоить себе всю заслугу, его коллега Крог, изобретший прибор, используемый для измерения концентрации газов в экспериментах, На протяжении всей своей жизни он утверждал, что он сам был первым, кто продемонстрировал этот эффект. Хотя есть некоторые доказательства, подтверждающие это, изменение названия известного явления задним числом было бы крайне непрактично, поэтому оно по-прежнему известно как эффект Бора.

Физиологическая роль

Эффект Бора повышает эффективность транспортировки кислорода через кровь. После того, как гемоглобин связывается с кислородом в легких из-за высоких концентраций кислорода, эффект Бора облегчает его высвобождение в тканях, особенно в тех тканях, которые больше всего нуждаются в кислороде. Когда скорость метаболизма в ткани увеличивается, увеличивается и выработка углекислого газа. При попадании в кровоток углекислый газ образует бикарбонат и протоны в результате следующей реакции:

${\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3^-}}$

Хотя эта реакция обычно протекает очень медленно, фермент карбоангидраза (присутствующий в эритроцитах ) резко ускоряет превращение в бикарбонат и протоны. Это приводит к снижению pH крови, что способствует диссоциации кислорода от гемоглобина и позволяет окружающим тканям получать достаточно кислорода для удовлетворения своих потребностей. В областях с высокой концентрацией кислорода, таких как легкие, связывание кислорода заставляет гемоглобин высвобождать протоны, которые рекомбинируют с бикарбонатом, удаляя углекислый газ во время выдоха . Эти противоположные реакции протонирования и депротонирования протекают в равновесии, что приводит к небольшому общему изменению pH крови.

Эффект Бора позволяет организму адаптироваться к изменяющимся условиям и дает возможность снабжать дополнительным кислородом ткани, которые в нем нуждаются больше всего. Например, когда мышцы подвергаются напряженной деятельности, им требуется большое количество кислорода для клеточного дыхания , в результате которого генерируется CO ₂ (и, следовательно, HCO ₃ ⁻ и Х ⁺ ) в качестве побочных продуктов. Эти отходы снижают pH крови, что увеличивает доставку кислорода к активным мышцам. Углекислый газ — не единственная молекула, которая может вызвать эффект Бора. Если мышечные клетки не получают достаточно кислорода для клеточного дыхания, они прибегают к ферментации молочной кислоты , в результате которой выделяется молочная кислота в качестве побочного продукта . Это повышает кислотность крови гораздо больше, чем один только CO ₂ , что отражает еще большую потребность клеток в кислороде. Фактически, в анаэробных условиях мышцы вырабатывают молочную кислоту так быстро, что pH крови, проходящей через мышцы, падает примерно до 7,2, что приводит к тому, что гемоглобин начинает выделять примерно на 10% больше кислорода.

Величина эффекта Бора определяется выражением ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$, что является наклоном на этом графике. Более крутой наклон означает более сильный эффект Бора.

Сила эффекта и размер тела

Величина эффекта Бора обычно определяется наклоном кривой ${\textstyle \log(P_{50})}$ против ${\textstyle {\text{pH}}}$ кривая, где P ₅₀ относится к парциальному давлению кислорода, когда занято 50% мест связывания гемоглобина. Уклон обозначается: ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ где ${\textstyle \Delta }$ обозначает изменение. То есть, ${\textstyle \Delta \log(P_{50})}$ обозначает изменение в ${\textstyle \log(P_{50})}$ и ${\textstyle \Delta {\text{pH}}}$ изменение в ${\textstyle {\text{pH}}}$.Сила эффекта Бора находится в обратной зависимости от размера организма: величина увеличивается по мере уменьшения размера и веса. Например, мыши обладают очень сильным эффектом Бора. ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ значение -0,96, что требует относительно небольших изменений H ⁺ CO ₂ или концентрации , в то время как слонам требуются гораздо большие изменения концентрации для достижения гораздо более слабого эффекта. ${\textstyle \left({\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}=-0.38\right)}$.

Механизм

Аллостерические взаимодействия

Гемоглобин меняет конформацию из состояния R с высоким сродством (оксигенированный) в состояние Т с низким сродством (дезоксигенированный), чтобы улучшить поглощение и доставку кислорода.

Эффект Бора основан на аллостерических взаимодействиях между гемами гемоглобина тетрамера — механизме, впервые предложенном Максом Перуцем в 1970 году. Гемоглобин существует в двух конформациях: состоянии R с высоким сродством и состоянии T с низким сродством. Когда уровни концентрации кислорода высоки, как в легких, состояние R является предпочтительным, позволяя максимальному количеству кислорода связываться с гемами. В капиллярах, где уровень концентрации кислорода ниже, предпочтительнее состояние Т, чтобы облегчить доставку кислорода к тканям. Эффект Бора зависит от этой аллостерии, поскольку увеличение CO ₂ и H ⁺ помогают стабилизировать состояние Т и обеспечить большую доставку кислорода к мышцам в периоды повышенного клеточного дыхания. Об этом свидетельствует тот факт, что миоглобин , мономер без аллостерии, не проявляет эффекта Бора. Мутанты гемоглобина с более слабой аллостерией могут проявлять пониженный эффект Бора. Например, при гемоглобинопатии варианта Хиросимы аллостерия гемоглобина снижается и эффект Бора снижается. В результате во время физических упражнений мутантный гемоглобин имеет более высокое сродство к кислороду, и ткани могут испытывать незначительное кислородное голодание .

Стабилизация Т-состояния

Когда гемоглобин находится в Т-состоянии, N-концевые аминогруппы α-субъединиц и С-концевой гистидин β-субъединиц протонируются, придавая им положительный заряд и позволяя этим остаткам участвовать в ионных взаимодействиях с карбоксильными группами. на близлежащих остатках. Эти взаимодействия помогают удерживать гемоглобин в Т-состоянии. Снижение pH (повышение кислотности) еще больше стабилизирует это состояние, поскольку снижение pH делает эти остатки еще более склонными к протонированию, усиливая ионные взаимодействия. В состоянии R ионные пары отсутствуют, а это означает, что стабильность состояния R увеличивается с увеличением pH, поскольку эти остатки с меньшей вероятностью останутся протонированными в более основной среде. Эффект Бора работает путем одновременной дестабилизации состояния R с высоким сродством и стабилизации состояния T с низким сродством, что приводит к общему снижению сродства к кислороду. Это можно визуализировать на кривой диссоциации кислорода и гемоглобина, сдвинув всю кривую вправо.

Диоксид углерода также может напрямую реагировать с N-концевыми аминогруппами с образованием карбаматов по следующей реакции:

${\ce {R-NH2 + CO2 <=> R-NH-COO^- + H+}}$

CO ₂ чаще образует карбаматы в состоянии Т, что помогает стабилизировать эту конформацию. В этом процессе также образуются протоны, а это означает, что образование карбаматов также способствует усилению ионных взаимодействий, дополнительно стабилизируя Т-состояние.

Особые случаи

Хотя они являются одними из крупнейших животных на планете, горбатые киты имеют величину эффекта Бора, аналогичную эффекту морской свинки.

Морские млекопитающие

Исключение из хорошо обоснованной связи между размером тела животного и чувствительностью его гемоглобина к изменениям pH было обнаружено в 1961 году. Учитывая их размер и вес, многие морские млекопитающие обладают очень низким, почти незначительным эффектом Бора. предполагалось, что Однако когда их кровь исследовали, это оказалось не так. У горбатых китов весом 41 000 килограммов наблюдался ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$ значение 0,82, что примерно эквивалентно величине эффекта Бора у морской свинки массой 0,57 кг . Предполагается, что этот чрезвычайно сильный эффект Бора является одной из многих адаптаций морских млекопитающих к глубоким и длительным погружениям, поскольку он позволяет практически всему связанному кислороду в гемоглобине диссоциировать и снабжать тело кита, пока он находится под водой. Исследование других видов морских млекопитающих подтверждает это. У гринд и морских свиней , которые в основном питаются с поверхности и редко ныряют более чем на несколько минут, ${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$составил 0,52, что сравнимо с коровьим , что намного ближе к ожидаемой величине эффекта Бора для животных их размера.

Окись углерода

Другой частный случай эффекта Бора возникает в угарного газа присутствии . Эта молекула служит конкурентным ингибитором кислорода и связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин . Сродство гемоглобина к CO примерно в 210 раз сильнее, чем его сродство к O ₂ . это означает, что его диссоциация маловероятна, и однажды связавшись, он блокирует связывание O ₂ с этой субъединицей. В то же время CO структурно достаточно похож на O ₂ , чтобы заставить карбоксигемоглобин отдавать предпочтение состоянию R, повышая сродство к кислороду оставшихся незанятых субъединиц. Такое сочетание значительно снижает доставку кислорода к тканям организма, что и делает угарный газ таким токсичным . Эта токсичность несколько снижается за счет увеличения силы эффекта Бора в присутствии карбоксигемоглобина. Это увеличение в конечном итоге обусловлено различиями во взаимодействиях между гемовыми группами карбоксигемоглобина по сравнению с оксигенированным гемоглобином. Это наиболее выражено, когда концентрация кислорода чрезвычайно низка, и является крайней мерой, когда потребность в доставке кислорода становится критической. Однако физиологические последствия этого явления остаются неясными.

См. также

• Аллостерическая регуляция
• Эффект Холдейна
• Корневой эффект
• Хлоридный сдвиг

Внешние ссылки

• Влияние обучения