Дезоксигемоглобин

Дезоксигемоглобин — это форма гемоглобина, в которой молекула белка не связана с молекулой кислорода. Являясь одним из двух основных состояний гемоглобина (наряду с оксигемоглобином), дезоксигемоглобин играет ключевую роль в процессе транспорта кислорода от органов дыхания к тканям организма. Его химическая формула характеризуется наличием иона железа (Fe²⁺) в геме, который находится в высокоспиновом состоянии и способен обратимо присоединять кислород. В венозной крови, отдавшей кислород тканям, содержится преимущественно дезоксигемоглобин, что придаёт ей тёмно-вишнёвый, почти синюшный оттенок.

Химическая структура и свойства

Дезоксигемоглобин представляет собой тетрамерный белок, состоящий из четырёх полипептидных цепей (двух α- и двух β-цепей у взрослого человека), каждая из которых содержит одну гемовую группу. В центре гема находится атом двухвалентного железа (Fe²⁺), который в дезоксигемоглобине не связан с лигандом (кислородом). В отличие от оксигемоглобина, в дезоксигемоглобине ион железа находится в высокоспиновом состоянии, что приводит к изменению его ионного радиуса и конформации всей молекулы.

Конформационные изменения

Ключевой особенностью дезоксигемоглобина является его конформационное состояние, известное как T-состояние (от англ. tense — напряжённое). В этом состоянии:

• Связи между субъединицами белка более стабильны и жёстки.
• Сродство к кислороду значительно ниже, чем в R-состоянии (расслабленном) оксигемоглобина.
• Молекула имеет более компактную форму, что облегчает её связывание с 2,3-дифосфоглицератом (2,3-ДФГ) — важным аллостерическим регулятором.

При связывании кислорода с одной из субъединиц дезоксигемоглобина происходит кооперативный переход всей молекулы из T-состояния в R-состояние, что резко повышает сродство к кислороду для оставшихся трёх субъединиц. Этот механизм лежит в основе сигмоидной кривой диссоциации оксигемоглобина.

Спектральные характеристики

Дезоксигемоглобин имеет характерный спектр поглощения в видимой области. Его максимум поглощения приходится на длину волны около 555 нм, что объясняет тёмно-красный, почти синий цвет венозной крови. В отличие от оксигемоглобина, который имеет два максимума (540 и 577 нм), спектр дезоксигемоглобина является более простым и широким. Это различие используется в пульсоксиметрии для неинвазивного определения насыщения крови кислородом (SpO₂).

Физиологическая роль

Дезоксигемоглобин является неотъемлемым компонентом дыхательного цикла. Его основная функция — обратимый захват кислорода в лёгких с последующим высвобождением в тканях. Процесс происходит следующим образом:

1. В лёгких: при высоком парциальном давлении кислорода (pO₂ ~ 100 мм рт. ст.) дезоксигемоглобин присоединяет O₂, превращаясь в оксигемоглобин.
2. В тканях: при низком pO₂ (20–40 мм рт. ст.) и более кислой среде (эффект Бора) оксигемоглобин отдаёт кислород, вновь становясь дезоксигемоглобином.

Транспорт углекислого газа

Дезоксигемоглобин играет важную роль в удалении углекислого газа (CO₂) из тканей. В форме дезоксигемоглобина белок обладает повышенной способностью связывать протоны (H⁺) и CO₂, образуя карбаминогемоглобин. Этот механизм, известный как эффект Холдейна, способствует транспорту до 20–25% всего CO₂, выделяемого организмом, в виде бикарбоната и карбаминовых соединений.

Регуляция кислородной ёмкости

Концентрация дезоксигемоглобина в крови является важным показателем кислородного статуса организма. В норме в артериальной крови дезоксигемоглобина практически нет (менее 5% от общего гемоглобина), в то время как в венозной крови его доля составляет 25–40%. Увеличение содержания дезоксигемоглобина в артериальной крови (гипоксемия) может свидетельствовать о нарушениях лёгочной вентиляции, перфузии или диффузии.

Клиническое значение

Цианоз

Повышение концентрации дезоксигемоглобина в капиллярной крови выше 5 г/дл приводит к появлению цианоза — синюшной окраски кожи и слизистых оболочек. Цианоз может быть:

• Центральным (снижение насыщения артериальной крови кислородом, например, при пороках сердца, лёгочных заболеваниях).
• Периферическим (замедление кровотока в конечностях, например, при холоде, сердечной недостаточности).

Метгемоглобинемия

При окислении железа в геме из Fe²⁺ в Fe³⁺ образуется метгемоглобин, который не способен связывать кислород. В отличие от дезоксигемоглобина, метгемоглобин имеет коричневый оттенок и не участвует в газообмене. Это состояние, известное как метгемоглобинемия, требует медицинского вмешательства.

Гипоксия и анемия

При анемии (снижении общего количества гемоглобина) абсолютное содержание дезоксигемоглобина в крови может быть снижено, но цианоз часто не развивается, так как пороговая концентрация (5 г/дл) не достигается. При гипоксии, вызванной снижением pO₂ в крови, концентрация дезоксигемоглобина растёт, что является диагностическим признаком.

Методы определения

Пульсоксиметрия

Наиболее распространённый неинвазивный метод оценки насыщения крови кислородом (SpO₂) основан на различии спектров поглощения окси- и дезоксигемоглобина. Пульсоксиметр излучает свет с длинами волн 660 нм (красный) и 940 нм (инфракрасный). Дезоксигемоглобин сильнее поглощает красный свет, а оксигемоглобин — инфракрасный. По соотношению поглощения рассчитывается сатурация.

Газовый анализ крови

Инвазивный метод (забор артериальной или венозной крови) позволяет точно измерить парциальное давление кислорода (pO₂) и рассчитать долю дезоксигемоглобина. Этот метод используется для диагностики тяжёлых нарушений газообмена.

Сравнение с оксигемоглобином

Интересные факты

• Дезоксигемоглобин обладает парамагнитными свойствами, в отличие от диамагнитного оксигемоглобина. Это свойство используется в функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для картирования активности мозга, основанной на изменении соотношения дезокси- и оксигемоглобина (BOLD-эффект).
• У плода человека гемоглобин (фетальный гемоглобин HbF) имеет более высокое сродство к кислороду, чем взрослый (HbA), что позволяет эффективно забирать кислород из материнской крови. В дезоксигемоглобине HbF слабее связывается с 2,3-ДФГ, что и обеспечивает это преимущество.
• В некоторых морских млекопитающих (например, тюленях) концентрация дезоксигемоглобина в крови может достигать очень высоких значений без развития цианоза, что связано с адаптацией к длительным погружениям.

Источники

• Медицинская биохимия: учебное пособие / под ред. Е. А. Строева. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018.
• Физиология человека: учебник / под ред. В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько. — М.: Медицина, 2007.
• Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. — 14th ed. — Elsevier, 2020.
• Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. Biochemistry. — 8th ed. — W. H. Freeman, 2015.
• Виноградов А. Д. Биохимия дыхания и окислительного фосфорилирования. — М.: Наука, 2005.