Сосудистый эндотелий как эндокринная сеть

Ранее мы отмечали, что на состав крови существенное влияние оказывает эндотелий сосудистой стенки. Известно, что диаметр среднего капилляра равен 6-10 мкм, его длина около 750 мкм. Суммарное поперечное сечение сосудистого русла в 700 раз превышает диаметр аорты. Общая площадь сети капилляров составляет 1000 м². Если учесть, что в обмене участвуют пре- и посткапиллярные сосуды, эта величина вырастает вдвое. Здесь протекают десятки, а скорее всего – сотни биохимических процессов, связанных с межклеточным обменом: его организацией, регуляцией, реализацией. По современным представлениям эндотелий – это активный эндокринный орган, самый большой в организме и диффузно рассеянный по всем тканям. Эндотелий синтезирует соединения, важные для свертывания крови и фибринолиза, адгезии и агрегации тромбоцитов. Он является регулятором деятельности сердца, тонуса сосудов, кровяного давления, фильтрационной функции почек и метаболической деятельности мозга. Он контролирует диффузию воды, ионов, продуктов метаболизма. Эндотелий реагирует на механическое давление крови (гидростатическое давление). Учитывая эндокринные функции эндотелия, британский фармаколог, лауреат Нобелевской премии Джон Вейн назвал эндотелий “маэстро кровообращения”.

Эндотелий синтезирует и выделяет большое количество биологически активных соединений, которые высвобождаются согласно текущей потребности. Функции эндотелия определяются наличием следующих факторов:

1. контролирующих сокращение и расслабление мышц сосудистой стенки, что определяет её тонус;

2. участвующих в регуляции жидкого состояния крови и способствующих тромбообразованию;

3. контролирующих рост сосудистых клеток, их репарацию и замещение;

4. принимающих участие в иммунном ответе;

5. Участвующих в синтезе цитомединов или клеточных медиаторов, обеспечивающих нормальную деятельность сосудистой стенки.

Оксид азота. Одной изсамых важных молекул, продуцируемых эндотелием, является оксид азота, конечная субстанция, осуществляющая многие регуляторные функции. Синтез оксида азота осуществляется из L-аргинина конститутивным ферментом NO-синтазой. К настоящему времени идентифицированы три изоформы NO-синтаз, каждая из которых представляет собой продукт отдельного гена, кодируется и идентифицируется в разных типах клеток. В эндотелиальных клетках и в кардиомиоцитах имеется так называемая NO-синтаза 3 (есNOs или NOs3)

Оксид азота присутствует во всех типах эндотелия. Даже в покое эндотелиоцит синтезирует определенное количество NO, поддерживая базальный тонус сосудов.

При сокращении мышечных элементов сосуда, снижении парциального напряжения кислорода в ткани в ответ на повышение концентрации ацетилхолина, гистамина, норадреналина, брадикинина, АТФ и др. синтез и секреция NO эндотелием усиливается. Продукция оксида азота в эндотелии также зависит от концентрации кальмодулина и ионов Са²⁺.

Функция NO сводится к торможению работы сократительного аппарата гладкомышечных элементов. При этом активируется фермент гуанилатциклаза и образуется посредник (мессенджер) – циклический 3^/5^/-гуанозинмонофосфат.

Установлено, что инкубация эндотелиальных клеток в присутствии одного из провоспалительных цитокинов – TNFa – приводит к уменьшению жизнеспособности эндотелиальных клеток. Но если усиливается образование оксида азота, то эта реакция защищает эндотелиальные клетки от действия TNFa. В то же время ингибитор аденилатциклазы 2^/5^/-дидезоксиаденозин полностью подавляет цитопротекторный эффект донора NO. Следовательно, одним из путей действия NO может быть цГМФ-зависимое ингибирование распада цАМФ.

Что же делает NO?

Оксид азота тормозит адгезию и агрегацию тромбоцитов и лейкоцитов, что связано с образованием простациклина. Одновременно он ингибирует синтез тромбоксана А₂ (ТхА₂). Оксид азота тормозит активность ангиотензина II, вызывающего повышение тонуса сосудов.

NO регулирует локальный рост эндотелиальных клеток. Являясь свободнорадикальным соединением с высокой реактивной способностью, NO стимулирует токсическое действие макрофагов на опухолевые клетки, бактерии и грибки. Оксид азота противодействует оксидантному повреждению клеток, вероятно, из-за регуляции механизмов синтеза внутриклеточного глутатиона.

С ослаблением генерации NO связано возникновение гипертензии, гиперхолестеринемии, атеросклероза, а также спастических реакций коронарных сосудов. Кроме того, нарушение генерации оксида азота приводит к дисфункции эндотелия, касающейся образования биологически активных соединений.

Эндотелин.Одним из самых активных пептидов, выделяемых эндотелием, является сосудосуживающий фактор эндотелин, действие которого проявляется в чрезвычайно малых дозах (в одну миллионную мг). В организме присутствуют 3 изоформы эндотелина, чрезвычайно мало отличающиеся по своему химическому составу друг от друга, включающие по 21 аминокислотному остатку и значительно различающиеся по механизму своего действия. Каждый эндотелин является продуктом отдельного гена.

Эндотелин 1 –единственный из этого семейства, который образуется не только в эндотелии, но и в гладкомышечных клетках, а также в нейронах и астроцитах головного и спинного мозга, мезангиальных клетках почки, эндометрии, гепатоцитах и эпителиоцитах молочной железы. Основными стимулами образования эндотелина 1 являются гипоксия, ишемия и острый стресс. До 75% эндотелина 1 секретируется эндотелиальными клетками в направлении гладкомышечных клеток сосудистой стенки. При этом эндотелин связывается с рецепторами на их мембране, что, в конечном итоге, приводит к их констрикции.

Эндотелин 2 – основным местом его образования являются почки и кишечник. В небольших количествах он обнаруживается в матке, плаценте и миокарде. По своим свойствам практически не отличается от эндотелина 1.

Эндотелин 3постоянно циркулирует в крови, но его источник образования не известен. В высоких концентрациях он обнаружен в головном мозге, где, как предполагается, он регулирует такие функции, как пролиферация и дифференцировка нейронов и астроцитов. Кроме того, он найден в желудочно-кишечном тракте, легких и почках.

Учитывая функции эндотелинов, а также их регуляторную роль в межклеточных взаимодействиях, многие авторы считают, что эти пептидные молекулы следует отнести к цитокинам.

Синтез эндотелина стимулируется тромбином, адреналином, ангиотензином, интерлейкином-I (IL-1) и различными ростовыми факторами. В большинстве случаев эндотелин секретируется из эндотелия внутрь, к мышечным клеткам, где расположены чувствительные к нему рецепторы. Различают три типа эндотелиновых рецепторов: А, В и С. Все они располагаются на мембранах клеток различных органов и тканей. Эндотелиальные рецепторы относятся к гликопротеидам. Большая часть синтезируемого эндотелина взаимодействует с ЭтА-рецепторами, меньшая – с рецепторами ЭтВ-типа. Действие эндотелина 3 опосредуется через ЭтС-рецепторы. При этом они способны стимулировать синтез оксида азота. Следовательно, при помощи одного и того же фактора регулируются 2 противоположные сосудистые реакции – сокращение и расслабление, реализуемые различными механизмами. Следует, однако, заметить, что в естественных условиях, когда происходит медленное накопление концентрации эндотелинов, наблюдается вазоконстрикторный эффект, обусловленный сокращением гладкой мускулатуры сосудов.

Эндотелин, безусловно, причастен к ишемической болезни сердца, острому инфаркту миокарда, нарушениям ритма сердца, атеросклеротическим повреждениям сосудов, легочной и сердечной гипертензии, ишемическим повреждениям мозга, диабету и другим патологическим процессам.

Тромбогенные и тромборезистентные свойства эндотелия.Эндотелий играет чрезвычайно важную роль в сохранении жидкого состояния крови. Повреждение эндотелия неминуемо ведет к адгезии (прилипанию) тромбоцитов и лейкоцитов, благодаря чему образуются белые (состоящие из тромбоцитов и лейкоцитов) или красные (включающие в сгусток эритроциты) тромбы. В связи со сказанным можно считать, что эндокринная функция эндотелия сводится, с одной стороны, к поддержанию жидкого состояния крови, а с другой – к синтезу и высвобождению факторов, способных приводить к остановке кровотечения.

К факторам, способствующим остановке кровотечения, следует отнести комплекс соединений, приводящих к адгезии и агрегации тромбоцитов, образованию и сохранению фибринового сгустка. К соединениям, обеспечивающим жидкое состояние крови, принадлежат ингибиторы агрегации и адгезии тромбоцитов, естественные антикоагулянты и факторы, приводящие к растворению фибринового сгустка. Остановимся на характеристике перечисленных соединений.

Известно, что к веществам, индуцирующим адгезию и агрегацию тромбоцитов и образуемым эндотелием, относятся тромбоксан А₂ (ТхА₂), фактор фон Виллебранда (vWF), фактор активации тромбоцитов (PAF), аденозиндифосфорная кислота (ADP).

ТхА₂, в основном, синтезируется в самих тромбоцитах, однако это соединение способно также образовываться и из арахидоновой кислоты, входящей в состав эндотелиальных клеток. Действие ТхА₂ проявляется в случае повреждения эндотелия, благодаря чему возникает необратимая агрегация тромбоцитов. Следует заметить, что ТхА₂ обладает довольно сильным сосудосуживающим действием и играет немаловажную роль в возникновении коронароспазма.

vWF синтезируется неповрежденным эндотелием и необходим как для адгезии, так и агрегации тромбоцитов. Различные сосуды в неодинаковой степени способны синтезировать этот фактор. Высокий уровень транспортной РНК vWF обнаружен в эндотелии сосудов легких, сердца, скелетных мышц, тогда как в печени и почках его концентрация сравнительно невысока.

PAF образуется многими клетками, в том числе и эндотелиоцитами. Это соединение способствует экспрессии основных интегринов, принимающих участие в процессах адгезии и агрегации тромбоцитов. PAF обладает широким спектром действия и играет важную роль в регуляции физиологических функций организма, а также в патогенезе многих патологических состояний.

Одним из соединений, принимающих участие в агрегации тромбоцитов, является AДФ. При повреждении эндотелия выделяется, главным образом, аденозинтрифосфат (ATФ), который под действием клеточной АТФ-азы быстро переходит в АДФ. Последняя запускает процесс агрегации тромбоцитов, который на первых этапах носит обратимый характер.

Действию соединений, способствующих адгезии и агрегации тромбоцитов, противостоят факторы, ингибирующие эти процессы. К ним в первую очередь относится простациклин или простагландин I₂ (PgI₂). Синтез простациклина неповрежденным эндотелием происходит постоянно, однако его освобождение наблюдается лишь в случае действия стимулирующих агентов. PgI₂ ингибирует агрегацию тромбоцитов за счет образования цАМФ. Кроме того, ингибиторами адгезии и агрегации тромбоцитов являются оксид азота (см. выше) и экто-АДФ-аза, расщепляющая AДФ до аденозина, служащего ингибитором агрегации.

Факторы, способствующие свертыванию крови. Сюда следует отнести тканевой фактор, который под воздействием различных агонистов (IL-1, IL-6, TNFa, адреналин, липополисахарид (ЛПС) грамотрицательных бактерий, гипоксия, кровопотеря) усиленно синтезируется эндотелиальными клетками и поступает в кровоток. Тканевой фактор (FIII) запускает так называемый внешний путь свертывания крови. В условиях нормы тканевой фактор эндотелиальными клетками не образуется. Однако любые стрессовые ситуации, мышечная активность, развитие воспалительных и инфекционных заболеваний приводят к его образованию и стимуляции процесса свертывания крови.

К факторам, препятствующим свертыванию крови, относятся естественные антикоагулянты. Следует заметить, что поверхность эндотелия покрыта комплексом гликозамингликанов, обладающих противосвертывающей активностью. К ним причисляют гепаран-сульфат, дерматан-сульфат, способные связываться с антитромбином III, а также повышать активность кофактора II гепарина и тем самым увеличивать антитромбогенный потенциал.

Эндотелиальные клетки синтезируют и секретируют 2 ингибитора внешнего пути свертывания крови (TFPI-1иTFPI-2), блокирующие образование протромбиназы. TFPI-1 способен связывать факторы VIIa и Ха на поверхности тканевого фактора. TFPI-2, являясь ингибитором сериновых протеаз, нейтрализует факторы свертывания, принимающие участие во внешнем и внутреннем пути образования протромбиназы. В то же время он является более слабым антикоагулянтом, чем TFPI-1.

Эндотелиальные клетки синтезируют антитромбин III (А-III), который при взаимодействии с гепарином нейтрализует тромбин, факторы Ха, IХa, калликреин и др.

Наконец, к естественным антикоагулянтам, синтезируемым эндотелием, относится система тромбомодулин–протеин С (PtC), куда входит также протеин S (PtS). Этот комплекс естественных антикоагулянтов нейтрализует факторы Va и VIIIa.

Факторы, влияющие на фибринолитическую активность крови. В эндотелии содержится комплекс соединений, способствующих и препятствующих растворению фибринового сгустка. В первую очередь следует указать на тканевой активатор плазминогена (ТАП, TPA) – основной фактор, переводящий плазминоген в плазмин. Кроме того, эндотелий синтезирует и секретирует урокиназный активатор плазминогена. Известно, что последнее соединение синтезируется также в почках и выделяется вместе с мочой.

В то же время в эндотелии синтезируются и ингибиторы тканевого активатора плазминогена (ИТАП, ITPA) I, II и III типов. Все они отличаются по своей молекулярной массе и биологической активности. Наиболее изученным из них является ИТАП I типа. Он постоянно синтезируется и секретируется эндотелиоцитами. Другие ИТАП играют менее заметную роль в регуляции фибринолитической активности крови.

Следует заметить, что в физиологических условиях действие активаторов фибринолиза преобладает над влиянием ингибиторов. При стрессе, гипоксии, физической нагрузке наряду с ускорением свертывания крови отмечается активация фибринолиза, что связано с выбросом ТАП из эндотелиальных клеток. Между тем, ингибиторы ТАП содержатся в эндотелиоцитах в избытке. Их концентрация и активность преобладают над действием ТАП, хотя поступление в кровоток в естественных условиях значительно ограничен. При истощении же запасов ТАП, что наблюдается при развитии воспалительных, инфекционных и онкологических заболеваний, при патологии сердечно-сосудистой системы, при нормальной и особенно патологической беременности, а также при генетически обусловленной недостаточности, начинает преобладать действие ИТАП, благодаря чему наряду с ускорением свертывания крови развивается торможение фибринолиза.

Факторы, регулирующие рост и развитие сосудистой стенки.Известно, что эндотелий синтезирует фактор роста сосудов. В то же время в эндотелии содержится соединение, ингибирующее ангиогенез.

Одним из основных факторов ангиогенеза является так называемый сосудистый фактор роста эндотелия или VGEF (от слов vascular growth endothelial cell factor), который обладает способностью индуцировать хемотаксис и митогенез ЭК и моноцитов и играет важную роль не только в неоангиогенезе, но и васкулогенезе (раннее формирование кровеносных сосудов у плода). Под его воздействием усиливается развитие колатералей и сохраняется целостность эндотелиального слоя.

Фактор роста фибробластов (FGF)имеет отношение не только кразвитию и росту фибробластов, но и участвует в контроле за тонусом гладкомышечных элементов.

Одним из главных ингибиторов ангиогенеза, влияющих на адгезию, рост и развитие эндотелиальных клеток, является тромбоспондин. Это гликопротеин целлюлярного матрикса, синтезируемый различными типами клеток, в том числе эндотелиальными. Синтез тромбоспондина контролируется онкогеном Р53.

Факторы, принимающие участие в иммунитете. Известно, что эндотелиальные клетки играют чрезвычайно важную роль в осуществлении как клеточного, так и гуморального иммунитета. Установлено, что эндотелиоциты являются антигенпрезентирующими клетками (АПК), то есть способны перерабатывать антиген (Аг) в иммуногенную форму и «преподносить» его Т- и В-лимфоцитам. На поверхности эндотелиальных клеток содержатся HLA как I, так и II классов, что служит необходимым условием для презентации антигена. Из сосудистой стенки и, в частности, из эндотелия выделен комплекс полипептидов, усиливающих экспрессию рецепторов на Т- и В-лимфоцитах. В то же время эндотелиальные клетки способны продуцировать ряд цитокинов, способствующих развитию воспалительного процесса. К подобным соединениям относятся IL-1 a и b, TNFa, IL-6, a- и b-хемокины и другие. Кроме того, эндотелиальные клетки выделяют ростовые факторы, оказывающие влияние на гемопоэз. К ним относятся гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (Г-КСФ, G-СSF), макрофагальный колониестимулирующий фактор (М-КСФ, M-СSF), гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (ГМ-КСФ, G-MСSF) и другие. Недавно из сосудистой стенки выделено соединение полипептидной природы, резко усиливающее процессы эритропоэза и способствующее в эксперименте ликвидации гемолитической анемии, вызванной введением четыреххлористого углерода.

Цитомедины. Эндотелий сосудов, как и другие клетки и ткани, является источником клеточных медиаторов – цитомединов. Под воздействием этих соединений, представляющих комплекс полипептидов с молекулярной массой от 300 до 10000 Д, нормализуется сократительная деятельность гладкомышечных элементов сосудистой стенки, благодаря чему кровяное давление сохраняется в пределах нормы. Цитомедины из сосудов способствуют процессам регенерации и репарации тканей и, возможно, обеспечивают рост сосудов при их повреждении.

Многочисленными исследованиями установлено, что все биологически активные соединения, синтезируемые эндотелием или возникающие в процессе частичного протеолиза, при определенных условиях способны поступать в сосудистое русло и таким образом оказывать влияние на состав и функции крови.

Разумеется, мы представили далеко не полный перечень факторов, синтезируемых и выделяемых эндотелием. Однако и этих сведений достаточно для вывода, что эндотелий является мощной эндокринной сетью, обеспечивающей регуляцию многочисленных физиологических функций.

Форменные элементы крови

Все форменные элементы крови – эритроциты, лейкоциты и тромбоциты – образуются в костном мозге из единой стволовой клетки. Если смертельно облученным мышам ввести донорский костный мозг, полученный от здоровых животных, в их селезенке развиваются очаги кроветворных клеток. С помощью особых хромосомных маркеров (меток хромосом, стабильно измененных после облучения) показано, что каждая колония представляет собой клон или семью, развившуюся из одной клетки, получившей название колониеобразующей единицы в селезенке, или КОЕс. При образовании колонии КОЕс продуцирует несколько миллионов клеток.

Несмотря на то, что все клетки крови являются потомками единой кроветворной клетки, они несут совершенно различные специфические функции. В то же время общность происхождения наделила их и общими неспецифическими свойствами. Так, все клетки крови, независимо от их специфики, участвуют в транспорте различных веществ, выполняют защитные и регуляторные функции. Остановимся более подробно на отдельных видах форменных элементов крови.

Эритроциты

Эритроциты, или красные кровяные диски в крови здорового человека преимущественно (до 70%) имеют форму двояковогнутого диска. Поверхность диска в 1,7 раза больше, чем поверхность тела такого же объема, но сферической формы; при этом диск умеренно изменяется без растяжения мембраны клетки. Несомненно, форма двояковогнутого диска, увеличивая поверхность эритроцита, обеспечивает транспорт большего количества различных веществ. Но главное заключается в том, что форма двояковогнутого диска обеспечивает прохождение эритроцита через капилляры. При этом в узкой части эритроцита возникает выпячивание в виде тонкого соска, который и входит в капилляр и, постепенно суживаясь в широкой части, преодолевает его. Кроме того, эритроцит может перекручиваться в средней узкой части в виде восьмерки, его содержимое из более широкого конца перекатывается к центру, благодаря чему он свободно входит в капилляр.

В то же время, как показывает электронная микроскопия, форма эритроцитов у здоровых людей и особенно при различных заболеваниях крови весьма вариабельна. В норме преобладают дискоциты, которые могут иметь один или несколько выростов. Гораздо реже встречаются эритроциты в виде тутовой ягоды, куполообразные и сферические, эритроциты, напоминающие камеру «спущенного мяча» и дегенеративные формы эритроцитов (рис. 2а). При патологии (гланвм образом, анемиях) встречаются планоциты, стоматоциты, эхиноциты, овалоциты, шизоциты и уродливой формы (рис. 2б).

Чрезвычайно изменчивы и размеры эритроцита. Их диаметр в норме равен 7,0-7,7 мкм, толщина – 2 мкм, объем 76-100 мкм, площадь поверхности 140-150 мкм².

Эритроциты, имеющие диаметр менее 6,0 мкм, носят название микроциты. Если диаметр эритроцита соответствует норме, то он называется нормоцитом. Наконец, если диаметр превышает норму, то такие эритроциты называются макроцитами.

Наличие микроцитоза (увеличение числа малых эритроцитов), макроцитоза (увеличение числа больших эритроцитов), анизоцитоза (значительная вариабельность размеров) и пойкилоцитоза (значительная вариабельность формы) свидетельствует о нарушении эритропоэза.

Эритроцит окружен плазматической мембраной, структура которой наиболее хорошо изучена. Мембрана эритроцита, как и других клеток, состоит из двух слоев фосфолипидов. Около ¼ поверхности мембраны занимают белки, которые «плавают» или пронизывают липидные слои. Общая площадь мембраны одного эритоцита достигает 140 мкм². Один из белков мембраны – спектрин – располагается на её внутренней стороне, образуя упругую выстилку, благодаря которой эритроцит не разрушается, но изменяет свою форму при прохождении через узкие капилляры. Другой белок – гликопротеид гликофорин – пронизывает оба липидных слоя мембраны и выступает наружу. К его полипептидным цепям присоединены группы моносахаридов, связанные с молекулами сиаловой кислоты.

В мембране имеются белковые каналы, через которые происходит обмен ионами между цитоплазмой эритроцита и внеклеточной средой. Мембрана эритроцита проницаема для катионов Na+ и K+, но особенно хорошо она пропускает кислород, углекислый газ, анионы Cl^– и HCO3^–. В составе эритроцитов содержится около 140 ферментов, в том числе антиоксидантная ферментная система, а также Na⁺-, K⁺- и Са²⁺-зависимые АТФ-азы, обеспечивающие, в частности, транспорт ионов через мембрану эритроцита и поддержание его мембранного потенциала. Последний, как показывают исследования нашей кафедры, для эритроцита лягушки равен всего –3-5 мV (Русяев В.Ф., Савушкин А.В.). Для эритроцитов человека и млекопитающих мембранный потенциал колеблется от –10 до –30 mV. Цитоскелет в виде проходящих через клетку трубочек и микрофиламентов в эритроците отсутствует, что придает ему эластичность и деформируемость – столь необходимые свойства при прохождении через узкие капилляры.

В норме число эритроцитов равно 4-5´1012/литр, или 4-5 миллионов в 1 мкл. У женщин эритроцитов меньше, чем у мужчин, и, как правило, не превышает 4,5´1012/литр. Более того, при беременности число эритроцитов может снизиться до 3,5 и даже 3,2´1012/литр, и это многие исследователи считают нормой.

В некоторых учебниках и учебных руководствах указывается, что количество эритроцитов в норме может достигать 5,5-6,0´10¹²/литр и даже выше. Однако такая «норма» свидетельствует о сгущении крови, что создает предпосылки к повышению кровяного давления и развитию тромбозов.

У человека весом 60 кг количество крови составляет около 5 литров, а общее число эритроцитов равняется 25 триллионам. Чтобы представить себе эту огромную цифру, приведем следующие примеры. Если положить все эритроциты одного человека один на другой, то получится «столбик» высотой более 60 км. Общая поверхность всех эритроцитов одного человека чрезвычайно велика и равна 4000 м². Для того чтобы сосчитать все эритроциты у одного человека, потребовалось бы 475000 лет, если считать их со скоростью 100 эритроцитов в минуту.

Представленные цифры лишний раз свидетельствуют о том, насколько важна функция снабжения клеток и тканей кислородом. При этом следует отметить, что сам эритроцит чрезвычайно неприхотлив к недостатку кислорода, ибо энергия его черпается за счет гликолиза и пентозного шунта.

В норме число эритроцитов подвержено незначительным колебаниям. При различных заболеваниях количество эритроцитов может уменьшаться. Подобное состояние носит название эритропения (анемия). Увеличение числа эритроцитов за пределы нормы обозначается как эритроцитоз. Последний возникает при гипоксии и нередко развивается как компенсаторная реакция у жителей высокогорных районов. Кроме того, выраженный эритроцитоз наблюдается при заболевании системы крови – полицитемии.

Гемоглобин и его соединения

Основные функции эритроцитов связаны с наличием в их составе особого белка хромопротеида, получившего наименование гемоглобин. Молекулярная масса гемоглобина человека равна 68800 Да. Состоит гемоглобин из белковой (глобин) и железосодержащей (гем) частей. На одну молекулу глобина приходится 4 молекулы гема.

В крови здорового человека содержание гемоглобина колеблется в пределах от 120 до 160 г/литр. У женщин уровень гемоглобина несколько ниже (до 150 г/литр), чем у мужчин (до 160 г/литр). У беременных женщин содержание гемоглобина может падать до 110 г/литр, и это не является патологией.

У жителей, проживающих на высоте 2000 метров, количество гемоглобина в среднем на 10 г/литр, а на уровне 3000 м – на 20 г/литр больше, чем на равнине. При этом одновременно наблюдается повышение числа эритроцитов.

Основное назначение гемоглобина – транспорт кислорода и углекислого газа. Кроме того, гемоглобин обладает буферными свойствами, а также способностью связывать некоторые токсические вещества, благодаря чему поддерживается постоянство внутренней среды – гомеостаз.

Гемоглобин человека и разных животных имеет различное строение. Это касается белковой части – глобина, ибо гем у всех представителей животного мира имеет одну и ту же структуру. Он состоит из молекулы порфирина, в центре которой расположен атом железа со степенью окисления +2, способный присоединять кислород. Белковая часть гемоглобина человека неоднородна по своей структуре, благодаря чему разделяется на ряд фракций. Большая часть гемоглобина взрослого человека (до 95 – 98%) состоит из фракции А (от слова adultus – взрослый). От 2 до 3% всего гемоглобина приходится на фракцию А2. Наконец в эритроцитах взрослого человека находится так называемый фетальный гемоглобин (от лат. foetus – плод), или гемоглобин F, содержание его в норме подвержено значительным колебаниям, хотя редко превышает 1–2%. Гемоглобины А и А2 обнаруживаются практически во всех эритроцитах, тогда как гемоглобин F присутствует в них не всегда.

Гемоглобин F содержится преимущественно у плода. К моменту рождения ребенка на его долю приходится до 70 – 90%. Гемоглобин F имеет большее сродство к кислороду, чем гемоглобин А, что позволяет тканям плода не испытывать гипоксии, несмотря на относительно низкое напряжение кислорода в его крови. Эта приспособительная реакция объясняется тем, что гемоглобин более трудно вступает в связь с 2,3-дифосфоглицериновой кислотой (2,3-ДФГК), которая уменьшает способность гемоглобина образовывать оксигемоглобин, но приводит к более легкой его отдаче тканям. 2,3-ДФГК образуется в процессе метаболизма по побочному пути гликолиза.

Кроме так называемых "нормальных" гемоглобинов, существуют еще аномальные, встречающиеся при различных заболеваниях системы крови. В настоящее время насчитывается более 300 аномальных гемоглобинов. Все они отличаются друг от друга строением глобина.

Первичными структурными элементами молекулы гемоглобина являются полипептидные цепи, носящие наименование протомеров и состоящие из аминокислот. Свойства гемоглобина, наличие нормальных и патологических гемоглобинов зависит от того порядка, в котором расположены аминокислоты, а также от того, находятся цепи в виде спиралей или в простом виде, т.е. от вторичной, третичной и четвертичной его структуры (рис. 3).

Все три фракции (А, А2, F) гемоглобина состоят из одинакового количества аминокислот (574), располагающихся в виде четырех полипептидных цепей. В зависимости от последовательности аминокислот эти цепи обозначаются греческими буквами a, b, g и d. Гемоглобин А состоит из двух a-цепей и двух b-цепей, гемоглобин А2 – из двух a-цепей и двух d-цепей, гемоглобин F – из двух a-цепей и двух g-цепей. В a-цепь гемоглобина входит 141 аминокислота, остальные содержат по 146 аминокислот каждая.

Порядок расположения аминокислот в цепях гемоглобина обозначается как первичная структура. 75% полипептидных цепей гемоглобина закручены вокруг своей продольной оси и составляют a-спираль, а 25% – неспиральные участки. Это так называемая вторичная структура гемоглобина. Третичная структура гемоглобина связана с пространственным расположением спирализованной полипептидной цепи в белковой молекуле. Наконец, четвертичная структура обусловлена связью между полипептидными цепями. Так, в гемоглобине А a-цепь связана с b-цепью, составляя субъединицу. Две такие субъединицы и образуют молекулу гемоглобина (рис. 3).

Гем и глобин внутри молекулы гемоглобина находятся в тесном взаимодействии. Гемоглобин обладает способностью образовывать соединения с О₂, СО₂, и СО. Гемоглобин, присоединивший О₂, носит наименование оксигемоглобина (HHbO2); гемоглобин, отдавший О₂, называется восстановленным, или редуцированным гемоглобином (HHb). В артериальной крови преобладает содержание оксигемоглобина, от чего ее цвет приобретает алую окраску. В венозной крови до 35% всего гемоглобина приходится на HHb. Кроме того, часть гемоглобина через аминную группу связывается с СО₂, образуя карбогемоглобин (HHbCO₂),благодаря чему переносится от 10 до 20% всего транспортируемого кровью СО₂.

Гемоглобин способен образовывать довольно прочную связь с CO. Это соединение называется карбоксигемоглобин (HHbCO). Сродство гемоглобина к СО значительно выше, чем к О₂, поэтому гемоглобин, присоединивший CO, не способен связаться с O2. Однако при вдыхании чистого О₂ резко возрастает скорость распада карбоксигемоглобина, чем на практике пользуются при отравлении СО.

Сильные окислители (ферроцианид, бертолетова соль, перекись водорода и др.) изменяют заряд от Fe²⁺ до Fe³⁺, в результате чего возникает окисленный гемоглобин – прочное соединение гемоглобина с О₂, носящее наименование метгемоглобин. При этом нарушается транспорт O2, что может привести к тяжелейшим последствиям и даже смерти.

3.9.3. Цветовой показатель и абсолютное содержание гемоглобина в одном эритроците

О содержании в эритроцитах гемоглобина судят по так называемому цветовому показателю, или фарб-индексу (Fi, от farb – цвет, index – показатель) – относительной величине, характеризующей насыщение в среднем одного эритроцита гемоглобином. Fi – это процентное соотношение гемоглобина и эритроцитов, при этом за 100% (или единиц) гемоглобина условно принимается величина, равная 166,7 г/литр, а за 100% эритроцитов 5´1012/литр. Если у человека содержание гемоглобина и эритроцитов равно 100%, то цветовой показатель будет равен 1. В норме Fi колеблется в пределах от 0,75 до 1,0 и очень редко может достигать 1,1. В этом случае эритроциты носят название нормохромные. Если Fi менее 0,7, то такие эритроциты недонасыщены гемоглобином и называются гипохромными. При Fi, превышающем 1,1, эритроциты именуются гиперхромными. В этом случае объём эритроцита значительно увеличивается. В результате создается ложное впечатление, будто эритроциты перенасыщены гемоглобином. Гипо- и гиперхромия встречаются лишь при анемиях. Так, в случае недостатка железа в организме образование гемоглобина нарушается и возникает гипохромная анемия.При пернициозной (злокачественной) анемиинарушается эритропоэз в костном мозге, и в крови появляются гигантские деформированные эритроциты с высоким содержанием гемоглобина. В этом случае развивается гиперхромная анемия.При кровопотере одновременно снижается содержание эритроцитов и гемоглобина и потому анемия будетнормохромная.Однако в дальнейшем, благодаря выбросу в кровоток эритроцитов, недонасыщенных гемоглобином, анемия в течение некоторого времени носит гипохромный характер. Определение цветового показателя чрезвычайно важно для клинической практики, так как позволяет провести дифференциальный диагноз при анемиях различной этиологии.

Следует отметить, что у жителей горных районов, несмотря на повышение числа эритроцитов и уровня гемоглобина, цветовой показатель сохраняется в пределах нормы.

В последние годы во многих клиниках мира определяется не цветовой показатель, а среднее содержание гемоглобина в 1 эритроците (СГЭ или МНС – от слов mean corpuscular hemoglobin). Величину МНС находят путем деления содержания гемоглобина в определённом объеме крови на число эритроцитов в том же объеме. Приведем пример такого расчета. Представим себе, что у здорового мужчины в 1 литре крови содержится 160 г гемоглобина и 5´10¹² эритроцитов. СГЭ равно отношению этих величин.

В среднем абсолютное содержание гемоглобина в одном эритроците (МНС) у мужчин и женщин практически одинаково и колеблется в пределах 28-33 пг.

Деформируемость эритроцитов

Деформируемость эритроцитов – способность изменять свою форму под действием внешних сил. При очень низких скоростях сдвига эритроциты здорового человека, находящиеся в концентрированных суспензиях, значительно деформируются, а при более высоких (200 с^-1 и выше) уподобляются твёрдым частицам.

По мере движения крови по сосудистому руслу эритроциты постоянно находятся в деформированном состоянии. При этом меняются не только размеры и форма эритроцита, но и происходит ротация мембраны относительно внутриэритроцитарного содержимого. Этот феномен получил образное наименование «гусеница танка». Особенно существенные изменения формы эритроцита наблюдаются в микроциркуляторном русле, некоторые капилляры которого имеют до 2 мкм и менее (в 3 раза меньше, чем диаметр эритроцита). С помощью прижизненной микроскопии установлено, что эритроциты, проходящие через капилляр, подвергаются значительной деформации, приобретая при этом различные формы. Следует заметить, что в сосудистом русле эритроциты человека и млекопитающих перемещаются в плазме крови не хаотично, а в постоянном вращательном движении, совершая вокруг своей оси до 90 об./сек. В соответствии же с законами гидродинамики эритроцит располагается в капилляре вдоль его оси. При этом его вращение прекращается, но значительно увеличивается деформация типа растяжения. При этом не изменяется объём и площадь поверхности эритроцита, что чрезвычайно важно для поддержания оптимальной диффузии газов (О₂ и СО₂).