Семинар 6. Энергопотребление как определяемое дыханием

Энергопотребление как определяемое дыханием

(через поступление кислорода в организм животного)

Вспоминаем:

Для транспорта кислорода нужен переносчик, иначе доля полезной массы в перекачиваемой жидкости (воде) – 5 г на тонну.

Полезно проверить это значение (и другие далее – в качестве подготовки к контрольной работе):

(Д) растворимость 7 мл O2 (г)/литр при равновесии с атмосферным воздухом (21% = 150 Торр), тогда примерно 5 мл O2 (г)/литр при смешивании с воздухом легких (100 Торр после смешивания) и т.д.

Доля полезной массы значительно возрастает за счет связывания (с миоглобином или гемоглобином), но она остается относительно низкой (200–250 г на тонну – по оценке предшествующего семинара)

Это объясняет близкие зависимости энергопотребления (организованного как обеспечивающее потребление кислорода) у различных животных – основной обмен (в зависимости от массы – см. выше или в справочных данных) и метаболический диапазон (см. ниже). Но не сам вид этих зависимостей! (вернемся к обсуждению в курсе «Биофизика»)

(Д) по факту переносчик – гемоглобин (М.м 68 000 Да), который представляет собой объединение 4-х молекул миоглобина (М.м. 17 000 Да), по сути, модифицированный тетрамер миоглобина. Это означает, что он не увеличивает связывание на единицу массы перекачиваемой жидкости (в сравнении с миоглобином), а обеспечивает какой-то другой эффект.

Какой же?

Количество перенесенного кровеносной системой и использованного кислорода дает баланс поступления кислорода в кровь и его отдачи в тканях, что можно представить/выразить как разность количеств кислорода на входе и на выходе из них

,

где W – объем, перекачиваемый кровеносной системой в единицу времени, c – концентрация гемоглобина в единице объема (с пересчетом в количество переносимого кислорода при насыщении гемоглобина). Y (P) – зависимость насыщения гемоглобина от парциального давления кислорода в равновесии с кровью при контакте с внешней средой в органах дыхания (на выходе артериальной крови из них, индекс «a») и в контакте с потребляющими тканями (на выходе из них, т.е. в венозной крови, индекс «v»).

При этом от величин P_a и P_v зависят скорости поступления кислорода на других этапах (см. далее)

В силу такой зависимости эффекта переноса (кислорода связанного с гемоглобином) от DY важно не только то, сколько кислорода содержит артериальная кровь, насыщаемая при контакте с кислородом из внешней среды в органах дыхания (ее определяет насыщение Y(P_a)), но и способность отдавать кислород при давлении в капиллярах. Если величина Y(P_v) велика, то кровь будет плохо отдавать кислород.

Иными словами, для гемоглобина (как переносчика) желательно возможно б о льшее значение DY = Y(P_a) – Y(P_v) при обычных условиях.

Гемоглобин как переносчик решает именно эту задачу.

Проверяем:

(Д) кривые насыщения миоглобина и гемоглобина (БХФ, с. 104): миоглобин хорошо связывает, но плохо отдает (если в венозной крови давление не падает почти до нуля, а не может, т.к. нужно еще обеспечить диффузию к местам потребления – в митохондрии)

Миоглобин (мономер связывающего белка/переносчика) и гиперболическое связывание – плохо с точки зрения отдачи в тканях.

Для транспорта важен конечный эффект переноса на одну молекулу переносчика, который определяет разность принятого и отданного кислорода.

Для переносчика желательна сигмоидная кривая – аналогично той, которую обсуждали применительно к регуляции во Введении–1.

Вспоминаем: рассматривалось связывание фермента или активного макромолекулярного комплекса с несколькими одинаковыми молекулами (кооперативное связывание) как способ регуляции молекулярной активности.

Получаемые свойства регулируемых процессов представляют кривые связывания – зависимости скорости процесса от концентрации молекул регулятора.

Например, при кооперативном связывании регулятора (c) с ферментом (E) по схеме

…

при наличии 4-х центров связывания было получено выражение для относительной доли активной формы фермента, связанного с 4-мя молекулами регулятора (E c ₄)

Y = [E c ₄]/ [E] + [E c ] + [E c ₂] + [E c ₃] + [E c ₄] =

= K₄K₃K₂K₁c⁴/(1 + K₁c + K₂K₁c²+ K₃K₂K₁c³+ K₄K₃K₂K₁c⁴),

которая при малых концентрациях регулятора пропорциональна 4-й степени этого регулятора и выходит на насыщение при высоких концентрациях регулятора. В этом случае вторая производная Y’’ по концентрации регулятора изменяет знак с положительного на отрицательный. Говорят, что такая кривая имеет S-образный или сигмоидный вид (подобно наклоненной и вытянутой вправо латинской букве S).

(Д) у кривой насыщения гемоглобина действительно сигмоидная форма

С чем связана сигмоидная форма?

Механизм связывания при транспорте кислорода кровью

Транспорт кислорода кровью осуществляется за счет его обратимого связывания со специальным белком – гемоглобином. В капиллярах легких гемоглобин присоединяет кислород, в капиллярах потребляющих тканей отдает его.

связывание позволяет значительно увеличить количество кислорода в объеме крови (см. далее)

При организации транспорта кислорода кровью так же, как и во многих схемах регуляции молекулярной активности, использовано кооперативное связывание. Гемоглобин имеет 4 места связывания для кислорода, т.е. максимально связывает 4 молекулы кислорода, что представляет схема.

,

где E – свободный гемоглобин, а S – кислород.

Иными словами, при регуляции (вспоминаемой выше по Введению–1) и при транспорте кровью схема связывания одинакова (при заданном числе присоединяемых молекул, которых 4 для гемоглобина) и желательные свойства кривых связывания очень похожи.

Аналогия переносчика с «идеальным переключателем»: желательно, чтобы Y(P_a) = 1 и Y(P_v) = 0.