2 курс / Нормальная физиология / Физиология_крови_Липунова_Е_А_,_Скоркина_М_Ю_

жание гемоглобина в крови (до 264 г·л-1) (цит. по: Л. Проссер, 1977, с. 43-44).

Для полного насыщения гемоглобина крови птиц нужны более высокие, чем для пигмента млекопитающих, значения напряжения кислорода. У уток (и голубей) в тканях потребляется до 60% кислорода, содержащегося в крови. Для сравнения: у человека используется ~ 27%, черепах ~ 44, ската ~ 66%. У пингвина Р50 равно ~ 34,4 мм рт. ст. (H. Bartels et al., 1966).

У цыплят, выведенных в инкубаторе, гемоглобин имеет большее сродство к кислороду, чем у взрослых кур. У вылупившихся птенцов кривая диссоциации О2 сдвигается вправо, и они постепенно утрачивают устойчивость к низкому парциальному давлению кислорода.

Как правило, рыбы, живущие в стоячей воде, имеют низкие значения Р50 и эффект Бора не сдвигает у них кривую диссоциации О2 за физиологические пределы. У рыб с высоким значением Р50 увеличение РСО2 от 2 до 10 мм рт. ст. может резко сдвинуть кривую вправо, и рыба начнет задыхаться даже при избытке кислорода.

Методом электрофореза выявлено у цыплят пять форм гемоглобина: Hb4 – основной компонент в первые 7 сут инкубации; Hb2 – в момент вылупления; Hb3 – второстепенный компонент как у зародыша, так и у вылупляющегося цыпленка.

Уровень оксигенации крови влияет на синтез гемоглобина. Так, если яйца выдерживать при пониженном РО2, синтез гемоглобина в костном мозге начинается не на 14-е сутки инкубации, а значительно позднее (J.A. Simons, 1966). Ген «взрослой» формы гемоглобина активируется у домашних кур на шестые сутки инкубации, у индейки – двумя-тремя сутками позже (C. Manwell, C.M. Bekker, 1963). У цыплят по мере их развития роль хориоаллантоиса в обеспечении эмбриона кислородом снижается

(M.B. Freeman, B.H. Misson, 1970).

Кровь головастика лягушки-быка насыщается кислородом при меньших парциальных давлениях, чем кровь взрослой особи: у головастика Р50 равно 4,6 мм рт. ст., у взрослой лягушки – 13,2 мм рт. ст. Для крови взрослой лягушки свойствен прямой эффект Бора вплоть до рН 6,2; у головастика эффект Бора отсутствует.

71

Связывание кислорода тесно сопряжено с выдыханием двуокиси углерода. Это обратимое явление, известное как эффект Бора – свойство тетрамерного гемоглобина, определяется гемгемовым взаимодействием, лежащим в основе кооперативных эффектов. В ходе матаболизма диффузия CO2 в ткани способствует снижению сродства гемоглобина к O2 и кривая равновесия сдвигается вправо (прямой эффект Бора). При высоком значении РСО2 или низком рН РО2, необходимое для насыщения гемоглобина, выше, чем при нормальных условиях. Эффект Бора отражает взаимосвязь между кислородным равновесием и отдачей протонов, т. е. кислотностью гемоглобина. При значениях рН ниже физиологических эффект Бора может обращаться, сродство возрастает – таким образом, при некоторых значениях рН Р50 достигает максимальной величины.

Количественной мерой эффекта Бора служит изменение величины Р50 на единицу рН; отношение ∆ log P50 / ∆ рН характеризует количество протонов, освобождаемых одним молем гема. Для гемоглобина крови человека изменение Р50 составляет 1,1 на единицу рН в диапазоне рН от 6,5 до 9,5. Протоны, освобождаемые при оксигенации, относят преимущественно к имидазольным группам С-концевых гистидинов β-цепи, а также к аминогруппам α-цепей. В осуществлении эффекта Бора бóльший вклад имеют β-цепи.

Величина эффекта Бора падает с уменьшением концентрации гемоглобина, повышением температуры и увеличением ионной силы раствора за счет солей. У мелких животных эффект Бора выражен в большей степени, чем у крупных. У человека

∆ log P50 / ∆ рН составляет -0,62; у мыши – 0,96; свиньи – 0,57; тюленя – 0,66; у утки – 0,40 (Л. Проссер, 1977).

Отдаче кислорода способствует 2,3-дифосфоглицерат, синтез которого возрастает при гипоксии и интенсификации окислительного процесса в тканях. В эритроцитах взрослого человека концентрация 2,3-ДФГ составляет 5·10-3 ммоль, т. е. на каждую молекулу гемоглобина приходится ~ 1 молекула 2,3-ДФГ, что составляет около 64% всех органических фосфатов эритроцита. Как было отмечено ранее, 2,3-ДФГ снижает сродство гемоглобина к кислороду, вклиниваясь между β-цепями тетрамера, взаимодействуя при этом с лизином, гистидином, валином каждой β-цепи. Полагают, что молекула двуокиси углерода конкурирует за уча-

72

сток связывания и частичное освобождение ДФГ при оксигенации (Л. Проссер, 1977).

Установлено, что 2,3-ДФГ вступает во взаимодействие с дезоксигенированным гемоглобином активнее, чем с оксиформой (T. Groth et al., 1977), и выявлена обратная корреляция между количеством связанного 2,3-ДФГ и насыщением гемоглобина ки-

слородом (R.P.B. Caldwell, R.L. Nagel, 1973).

2,3-ДФГ влияет на сродство гемоглобина к кислороду при снижении внутриэритроцитарной рН (M.Samaja, R.M. Winslow, 1979), что с коммуляцией внутри клетки отрицательно заряженных анионов (снижение рН) приводит к уменьшению сродства гемоглобина к кислороду. Величина эффекта Бора в присутствии 2,3-ДФГ возрастает при сохранении рН в пределах физиологических значений, что облегчает отдачу гемоглобином кислорода

(О.И. Моисеева, 1985).

Результаты сравнительных исследований содержания 2,3-ДФГ

иАТФ в эритроцитах млекопитающих показали, что оно высокое в клетках человека, кролика, дельфина и свиньи и низкое – коров

икошки. В эритроцитах крови лошади и собаки – высокое содержание 2,3-ДФГ и предельно низкое – АТФ; в красных клетках крови коз не выявлены 2,3-ДФГ и фермент 2,3-ДФГФ, в связи с чем выдвинуто предположение, что дифосфоглицератный шунт у взрослых коз не всегда функционирует. В эритроцитах крови птиц и черепах вместо 2,3-ДФГ присутствует инозитгексафосфат

(ИГФ); у рыб функцию 2,3-ДФГ выполняет АТФ (концентрация от 1 до 2·10-3 моля). В 2,3-ДФГ и АТФ сосредоточено до 45% всего фосфора эритроцитов; они снижают сродство гемоглобина и кислорода в 30 раз, облегчая таким образом отдачу кислорода. Не обнаружены органические фосфаты в эритроцитах круглоротых и их гемоглобин нечувствителен к 2,3-ДФГ и АТФ (О.И. Моисеева, 1985).

Транспорт двуокиси углерода. До 15% CO2 (двуокиси угле-

рода), присутствующего в крови, переносится молекулами гемоглобина. В этом процессе ведущую роль играет карбоангидраза

эритроцита. Растворенный CO2 диффундирует по градиенту напряжения из тканей в кровь. В капиллярах некоторое количество двуокиси углерода остается в плазме в растворенном состоянии, участвуя в стимуляции центрального дыхательного механизма. Большая часть CO2 поступает в эритроцит и подвергается гидра-

73

тации с образованием угольной кислоты, мгновенно диссоциирующей на ионы протона и гидрокарбоната:

СО2+Н2О Н2СО3 НСО3- + Н+

В плазме эта реакция протекает медленно, в эритроцитах – ускорена в 10 000 раз благодаря эффектам карбоангидразы (П.А. Коржуев, 1964). Накопление HCO3- в эритроцитах приводит к тому, что между его внутренней средой и плазмой крови создается диффузионный градиент. Одновременно с выходом из эритроцита каждого HCO3--иона взамен в эритроцит поступает ион CI-. Этот обменный процесс называется хлоридным сдвигом.

По мере диффузии СО2 в эритроците накапливается Н+, что не приводит к сдвигам рН вследствие буферной мягкости гемоглобина (гемоглобин связывает два Н+-иона на каждые четыре освободившиеся молекулы O2 и определяет буферную емкость крови).

Двуокись углерода может связываться также посредством присоединения к аминогруппам белкового компонента гемоглобина. Реакция протекает без участия ферментов, т. е. не нуждается в катализе. При этом образуется остаток карбаминовой кислоты (карбамат) и высвобождается H+:

Hb-NH2+CO2 = Hb-NHCOOH-+H+

В ходе образования карбаминовых комплексов снижается сродство гемоглобина к кислороду. Эффект сходен с действием низкого значения рН. В тканях, как известно, оно потенциирует высвобождение кислорода из оксигемоглобина при высокой концентрации CO2 (эффект Бора); связывание гемоглобина снижает сродство его аминогруппы к кислороду (эффект Холдена) (О.И. Моисеева, 1985).

Один литр крови поглощает до 1,8 ммоль СО2; из 50 % CO2, содержащейся в венозной крови, 12% сохраняются в физически растворенном виде, 11% – образуют карбаминовые соединения с гемоглобином, 27% – транспортируются в виде HCO3--ионов плазмой крови.

Насыщение крови двуокисью углерода при различных значениях его парциального давления отражают сатурационные кривые (saturation – насыщение). Общее содержание углекислого газа крови складывается из концентраций физически растворенной

74

и химически связанной двуокиси углерода, карбамата и гидрокарбоната (Л.И. Иржак, 1979).

С увеличением Рсо2 количество связанного СО2 постоянно возрастает, так как образование гидрокарбоната в крови практически не лимитировано (в сопоставлении с оксигенацией крови).

К тканевым капиллярам обычно притекает полностью оксигенированная кровь. По мере прохождения через капилляры кислород диффундирует в ткани, при этом способность крови поглощать СО2 увеличивается. В легких CO2 из крови легко выделяется в альвеолы, т. к. молекулярный CO2 легче проникает через биологические мембраны, чем O2. По этой причине CO2 легко проникает в ткани и кровь; в эритроцитах связывание CO2 ускоряется карбоангидразой. Ткани обладают большой буферной емкостью, но не защищены от дефицита O2, поэтому нарушение газообмена CO2 встречается реже и менее болезненно для организма, чем нарушение транспорта O2 (П.А. Коржуев, 1973; З.Н. Барбашова, 1977; 1981; Л.И. Иржак и соавт., 1985; Биохимия человека, 1993).

Механизм неспецифической проницаемости эритроцитарных мембран в условиях кислородоотдачи. Современными физи-

ко-химическими исследованиями диффузионных процессов в эритроцитах и тканях показано, что в капиллярах тканей – потребителей кислорода гемоглобин будет деоксигенироваться и адсорбироваться на мембране, а углекислота – входить в эритроцит в виде нейтральной молекулы СО2 и выходить – в виде отрицательных ионов HCO3-, вынося наружу отрицательный заряд, что приводит к снижению трансмембранной разности потенциалов, при этом активируется поток Na+ в эритроцит и клетка возвращается в состояние, характерное для нее при входе в альвеолярный капилляр. Таким образом, процесс деоксигенации сопряжен с повышением проницаемости клеточной мембраны.

По данным экспериментальных исследований М.В. Фока и соавт. (1999), в механизме повышения неспецифической проницаемости эритроцитарной мембраны в условиях газотранспорта ведущую роль играет неглобулярный поверхностный белок гликофорин. При входе эритроцита в капилляр, диаметр которого меньше его собственного, аминокислотные цепочки гликофорина прижимаются к поверхности его мембраны и нейтрализуют расположенные там положительные заряды, ответственные за поле в мембране. Поле ослабевает, проницаемость мембраны увеличивается и начинаются процессы газотранспорта.

75

2.3.2. Лейкоциты

Лейкоциты крови – гетерогенная группа клеток, которая по происхождению классифицируется на клетки миелоидные и лимфоидные, по функции – на фагоциты и иммуноциты, по морфологии клеточного ядра – на полиморфноядерные и мононуклеарные, по наличию цитоплазматических включений – на гранулоциты и агранулоциты (рис. 12).

Рис. 12. Гранулоциты с гребневидными профилями. 7100. (Ю.К. Новодержкина и соавт., 2004)

2.3.2.1. Общие свойства. Лейкоциты – бесцветные клетки, содержат ядро и цитоплазму специфической структуры. Диаметр лейкоцитов от 5 до 22 мкм, продолжительность жизни – от нескольких часов до нескольких лет. У человека в 1 мкл крови – 6-8 тыс. лейкоцитов. Значительное и стойкое повышение числа лейкоцитов называют лейкоцитозом, уменьшение – лейкопенией. Различают физиологический лейкоцитоз (развивается после приема пищи, при мышечной работе, болевых ощущениях, при беременности, у детей при крике) и патологический (возникает при инфекционных болезнях, воспалительных процессах). Физиологический лейкоцитоз по своей природе – распределительный. В нем чаще всего участвуют селезенка, красный костный мозг, легкие. Патологический (реактивный) лейкоцитоз обусловлен повышенным выбросом в сосудистое русло клеток из органов кроветворения с преобладанием молодых популяций клеток.

Лейкопения отражает течение некоторых инфекционных заболеваний, а также состояния, связанные с угнетением функций кроветворных органов, например, при поражении красного костного мозга при лучевой болезни.

76

Лейкоциты обладают амебоидной подвижностью: скорость их движения может достигать 40 мкм·мин-1.

Процентное соотношение отдельных форм лейкоцитов называют лейкоцитарной формулой, или лейкограммой (табл. 5).

Таблица 5

Лейкограмма взрослого человека (средние данные, %)

2.3.2.2. Гранулоциты. Нейтрофильные гранулоциты – самая многочисленная группа циркулирующих лейкоцитов. Термин «нейтрофильный» описывает внешний вид цитоплазматических гранул, которые при окраске по Романовскому – Гимзе имеют азурофильную окраску. В связи с наличием характерного сегментированного ядра нейтрофилы называют полиморфно-ядерными лейкоцитами (ПМЯЛ). ПМЯЛ мигрируют в очаги инфекции, где распознают, захватывают и уничтожают бактерии. Осуществление этой функции возможно благодаря наличию у них хемотаксиса, адгезии и фагоцитоза (Ф.Дж. Шиффман, 2000).

Размеры нейтрофильных гранулоцитов в мазках крови варьируют от 10 до 15 мкм. Плазмолемма нейтрофильных гранулоцитов выполняет рецепторную функцию, участвует в фагоцитозе и транспорте веществ (эндо- и экзоцитоз; в частности, дегрануляция). На плазмолемме находятся рецепторы адгезивных веществ, цитокинов, колониестимулирующих факторов, медиаторов воспаления, иммуноглобулинов класса G, С3b-компонента комплемента, молекулы главного комплекса гистосовместимости (HLA).

Ядро нейтрофильных гранулоцитов имеет неодинаковое строение в зависимости от степени дифференцированности клетки. По строению ядра различают сегментоядерные, палочкоядерные и юные нейтрофильные гранулоциты. Наиболее зрелыми считают сегментоядерные нейтрофилы, у человека они составля-

77

ют 60-65% от общего числа лейкоцитов. Для них типично дольчатое ядро, представленное 2-5 сегментами, соединенными нитевидными перетяжками. У женщин около 3% таких клеток содержат хорошо выраженный мелкий придаток ядра в виде барабанной палочки, который представляет Х-хромосому (половой хроматин, тельце Барра).

Палочкоядерные нейтрофилы – молодые клетки (составляют 3-5% от общего числа). Их ядро в виде палочки или подковы, не сегментировано, но содержит намечающиеся перетяжки, которые углубляются по мере созревания клеток.

Юные нейтрофильные гранулоциты – самые молодые клетки (составляют до 0,5% от общего количества лейкоцитов), их ядро бобовидной формы, светлее, чем у палочкоядерных и сегментоядерных форм (Физиология лейкоцитов человека, 1979).

Механизм и биологический смысл сегментации ядер нейтрофилов до конца не раскрыты. Предполагают, что сегментирование ядра повышает способность клетки к деформации и облегчает ее прохождение через сосудистую стенку в ткани. Установлено, что сегментоядерные нейтрофилы не являются старой, исчерпывающей свои потенции, клеткой: в определенных условиях (например, в процессе воспалительной реакции) в ней возобновляется синтез РНК, в результате чего нейтрофил трансформируется в клетку с новыми качествами и функциональными возможностями. Полагают, что процесс сегментации ядер нейтрофилов подвижный и зависим от сезона года и воздействия на организм неблагоприятных факторов (Ю.А. Антонишкис, 2006).

Цитоплазматические гранулы нейтрофилов многочисленны (50-200 в каждой клетке) и подразделяются на первичные, вторичные и третичные. Первичные (азурофильные, неспецифические) гранулы появляются на ранних стадиях развития. Это самые крупные гранулы (диаметр 400-800 нм), содержат лизоцим, миелопероксидазу, нейтральные протеиназы, кислые гидролазы, катионные антимикробные белки, бактерицидный белок, увеличивающие проницаемость. Ферменты этих гранул активны в кислой среде и обеспечивают внутриклеточное уничтожение микробов. Вторичные (специфические) гранулы появляются на стадии промиелоцита и миелоцита, диаметром 100-300 нм, содержат лизоцим, лактоферрин, щелочную фосфатазу, коллагеназу, активатор плазминогена, адгезивные белки. Все эти вещества секре-

78

тируются в межклеточное пространство, мобилизуют медиаторы воспаления, активируют систему комплемента, участвуют во внутриклеточном разрушении микробов. Третичные гранулы (желатиназные) – диаметром 400-800 нм; главным их компонентом являются желатиназа, лизоцим и адгезивные белки. Третичные гранулы участвуют в переваривании субстратов в межклеточном пространстве. Адгезивные молекулы этих гранул участвуют в прикреплении нейтрофила к эндотелию, а желатиназа увеличивает проницаемость базальной мембраны, т.к. переваривает находящийся в ней коллаген IV типа.

Нейтрофилы с кровью непрерывно поставляются в кожу, слизистые оболочки и другие периферические ткани. Их суточный оборот составляет порядка 100 млрд клеток. Для нейтрофилов свойственна способность повышать свою численность, когда это необходимо организму, за счет расширения пула пролиферирующих и «рекрутирования» зрелых клеток. Большую часть своей жизни (15 сут) нейтрофилы проводят в костном мозге. Пролиферативный пул нейтрофильных предшественников состоит из коммитированных (КОЕ-ГМ, КОЕ-Г) и нейтрофильных предшественников вплоть до стадии миелоцита. Расширение пула ускоряется воспалительными цитокинами: Г-КСФ, ГМ-КСФ. На пути к периферическим тканям половина внутрисосудистых гранулоцитов находится в движении, другая часть обратимо прилипает к стенкам сосудов (пристеночные клетки). При инфекции или воспалении они могут быть быстро востре-

бованы (T.P. Stossel, 1994).

Эозинофилы имеют двухдольчатое ядро и цитоплазму, заполненную ярко-оранжевыми гранулами. Размеры эозинофильных гранулоцитов в мазках – 12-17 мкм. Изредка могут встречаться палочкоядерные и юные формы. Цитоплазма включает гранулы двух типов – специфические (эозинофильные) и неспецифические (азурофильные). Основные (положительно заряженные) белки имеют высокое сродство к эозину и окрашиваются в оранжевый цвет. Эозинофильные гранулы содержат эозинофильный катионный белок, эозинофильную пероксидазу, гистаминазу. Эозинофильные катионные белки обладают антибактериальным и антипротерозойным действием. Азурофильные гранулы – средних размеров (0,1-0,5 мкм), с плотным матриксом, включают кислую фосфатазу, арилсульфатазу. Количество этих гранул снижается по мере созрева-

79

ния. Эозинофилы играют особую роль в контроле аллергии, в противоглистном иммунитете и снижении реакции гиперчувствительности немедленного типа. Эозинофилам присуща также иммунорегуляторная функция – ограничение области аллергической реакции, создание препятствий в распространении из нее антигенов и медиаторов воспаления, выработка ряда цитокинов.

Базофилы – малочисленная группа циркулирующих гранулоцитов (менее 1% лейкоцитов). Размеры базофильных гранулоцитов в мазках составляют 9-12 мкм. Ядро дольчатое, или S-образное, часто трудноразличимое, т.к. маскируется цитоплазматическими гранулами. В цитоплазме выявляются гранулы двух типов – специфические (базофильные) и неспецифические (азурофильные). Базофильные гранулы содержат сульфатированные гликозаминогликаны, связанные с белками (гепарин, хондрои- тин-сульфат, гистамин), ферменты, хемотаксические факторы нейтрофилов и эозинофилов. Азурофильные гранулы представляют лизосомы. Базофилы участвуют в аллергических реакциях, т.к. несут на своей мембране IgE-рецепторы, при соответствующей стимуляции освобождают гистамин. Гомеостатическая функция базофилов связана с синтезируемыми в их клетках биологически активными веществами, которые влияют на сократимость гладких миоцитов, проницаемость сосудов, свертываемость крови, секрецию желез, обладают фагоцитозом и хемотаксическим действием.

2.3.2.3. Агранулоциты. Моноциты циркулируют в крови в виде крупных клеток с бобовидным ядром и цитоплазмой синесерого цвета. Размеры моноцитов в мазках – 18-20 мкм. Крупное ядро занимает до половины площади клетки, эксцентрично расположено, бобовидной формы. Цитоплазма слабобазофильная, содержит все органеллы общего значения, а также азурофильные гранулы (лизосомы), богатые гидролитическими ферментами. Антимикробные системы моноцита включают лизоцим, лактоферрин, кислую фосфатазу, арилсульфатазу, перекись водорода, окись азота (NO). Мигрировав в ткани, моноциты превращаются в макрофаги мононуклеарной фагоцитарной системы (МФС). Макрофаги участвуют в захвате, процессинге и представлении антигенов лимфоцитам при индукции клеточных и гуморальных иммунных реакций. Синтезированные ими цитокины, интерлейкины, интерфероны способствуют клеточной координации сложных взаимодействий в иммунном ответе.

80