Термодинамика и кинетика взаимодействия гемоглобина с кислородом

• Автор: Вострецов, Дмитрий Ярославович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 103 с. : ил.

» ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕМОГЛОБИНА С КИСЛОРОДОМ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Гемоглобин. Общие сведения

1.2. Кооперативное взаимодействие

1.3. Эффект Бора

1.4. Уравнения кривой оксигенации гемоглобина

1.5. Модели гемоглобина

1.6. Модели неравновесных процессов взаимодействия гемоглобина с кислородом

ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕМОГЛОБИНА С КИСЛОРОДОМ

2.1. Модельные представления, используемые для описания

у взаимодействия гемоглобина с кислородом

2.2. Свободная энергия системы гемоглобин - лиганды
2.3. Метод неопределенных множителей Лагранжа. Законы сохранения
2.4. Минимизация свободной энергии Гиббса
2.5. Выводы ко второй главе
ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ
3.1. Описание кривой диссоциации оксигемоглобина. Определение ^ параметров взаимодействия гемоглобина человека с
кислородом
3.2. Расчет коэффициентов Эйдера
3.3. Определение параметров взаимодействия гемоглобина с
♦ протонами водорода (эффект Бора)

3.4. Моделирование процесса насыщения различных органов кислородом в условиях высокогорной гипоксии
3.5. Выводы к третьей главе
ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕМОГЛОБИНА С
КИСЛОРОДОМ
4.1. Кинетические уравнения взаимодействия гемоглобина с кислородом
4.2. Определение начальных условий для распределения кислорода в гемоглобине
4.3. Определение кинетических коэффициентов взаимодействия гемоглобина с кислородом в растворе
4.4. Определение кинетических коэффициентов взаимодействия гемоглобина с кислородом в эритроцитах
4.5. Исследование кинетики взаимодействия гемоглобина с кислородом при различных физиологических условиях
4.6. Выводы к четвёртой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность работы.
Важнейшей функцией организма, определяющей характер и уровень энергетических процессов, является дыхание, т.е. обеспечение организма кислородом. Экспериментальные данные показали, что на процесс присоединения (отдачи) кислорода к гемоглобину оказывают влияние различные факторы: взаимодействие между молекулами кислорода,
присоединившимися к гемоглобину (кооперативное взаимодействие); взаимодействие молекул кислорода с водородом (эффект Бора), присоединяющимся к белковой части гемоглобина; наличие в среде, окружающей гемоглобин, кислорода, углекислого газа; температура и др. Характеристикой процесса взаимодействия гемоглобина с кислородом является кривая диссоциации оксигемоглобина (КДО) — зависимость степени заполнения гемоглобина кислородом от давления кислорода.
Попытки описать КДО с помощью математических методов принимались неоднократно, однако большая часть данных выражений носит эмпирический характер, являясь по сути дела аппроксимациями различной степени сложности. До сих пор нет удовлетворительной теории, описывающей изменения кривой оксигенации, связанной с изменением физиологических параметров крови (температуры, кислотности, давления углекислого газа).
Наличие физических моделей взаимодействия гемоглобина с кислородом может стать основой для разработки методов адаптации человека к техногенной среде, экстремальным условиям жизни, ответить на вопрос - является ли процесс дыхания оптимальным, а также использоваться при создании заменителей крови и различных лекарственных препаратов.
В данной работе предложены термодинамическая и кинетическая модели взаимодействия гемоглобина с кислородом, которые учитывают различные физиологические параметры крови.
Глава З
ствия. Первая фаза приходится на начало кривой при р02 менее 10 мм. рт. ст. (для гемоглобина человека), когда степень оксигенации мала, как и вероятность того, что кислород связывается в макромолекуле гемоглобина с двумя и более темами [4]. На данной стадии процесса в большинстве тетрамеров в оксигенацию включается по одному гему, которые связывают по одной молекуле кислорода. На второй фазе процесса с увеличением р02 число тетрамеров, связывающих более одной молекулы кислорода растет и появляются полностью насыщенные кислородом макромолекулы. В тетрамерах начинает проявляться кооперативный эффект, выражающийся в том, что кривая диссоциации гемоглобина приобретает изгиб вверх, в область больших насыщений. Это происходит при насыщении на 20-25% [4]. Согласно [37], наибольшее взаимодействие между субъединицами проявляется тогда, когда оказываются связанными три молекулы лиганда.
В предложенной зависимости хорошо видно действие кооперативного эффекта. В области малых давлений кислорода почти весь гемоглобин освобожден от атомов кислорода. С увеличением давления кислорода число заполненных молекул гемоглобина резко увеличивается. При этом число молекул полностью заполненного гемоглобина намного больше, чем заполненного частично. Данный факт объясняется тем, что гемоглобин, содержащий хотя бы один атом кислорода, гораздо эффективнее присоединяет остальные. В этом и состоит сущность кооперативного эффекта.
Кооперативное взаимодействие приводит к тому, что гемоглобин наиболее эффективно отдает кислород при давлении 30-40 мм.рт.ст. (что соответствует парциальному давлению кислорода в органах человека) и эффективно связывается с ним при 80-100 мм.рт.ст (что соответствует парциальному давлению кислорода в легких человека).
Из расчетных кривых видно, что состояния гемоглобина с 1-2 атомами кислорода являются неустойчивыми.