Potreba za kisikom i njegove rezerve u tijelu. Metabolizam u tijelu

Nastavak

Na početku ovog članka govorimo o činjenici da je riječ "kemija", za mnoge ljude tako strašna, kada se primijeni na prehrambene proizvode, prisutna posvuda. Kalcij, kisik, magnezij, željezo i druge tvari vitalne za ljudsko tijelo - sve je to kemija. Važno je samo znati što i koliko je čovjeku potrebno za očuvanje mladosti i zdravlja. Ovaj članak nastavlja opisom svojstava i važnosti pojedinih kemikalija za ljudski organizam.

Uloga kisika za ljudski organizam

Kisik je osmi element periodnog sustava kemijskih elemenata. Na našem planetu postoje niži oblici bića koji ne prihvaćaju kisik i uopće žive bez zraka. Ali kisik je vitalan za ljude. Bez toga cijelo tijelo neće raditi, a pluća će izgubiti svoju važnost.

U slobodnom stanju kisik je plinovita tvar. Ali kada niske temperature mogu se ukapiti ili čak kristalizirati.

Molekula kisika sastoji se od samo 2 atoma kisika - O 2. Ali molekula ozona, koji je u biti oblik kisika i apsolutno je neophodan za postojanje života na planeti Zemlji, ima 3 atoma kisika - O 3. Uništavanje ozonskog omotača u Zemljinoj atmosferi dovodi do povećanja radijacije, uništavanja prirode i pojave sve više novih oblika bolesti.

Gdje na Zemlji ima kisika?

Osim u atmosferi, kisika ima i u zemljinoj kori. Zanimljivo je da, u usporedbi sa svim ostalim elementima, kisik čini čak 47%. Nalazi se u zemljinoj kori u obliku raznih spojeva. U svjetskim oceanima, uključujući i slatke vode, sadržaj kisika u svim vrstama spojeva je gotovo 86%. Ali u atmosferi je samo 23%.

Osim atmosfere, zemlje i vode, kisik se nalazi u stanicama apsolutno svih živih organizama iu mnogim organskim tvarima.

Ovo je zanimljivo! U hladna voda U svjetskim oceanima ima više kisika nego u toplom oceanu.

U kojim tjelesnim procesima sudjeluje kisik?

Kisik je najjače oksidacijsko sredstvo. Stoga sudjeluje u svim oksidativnim reakcijama ljudskog tijela.

Osim što čovjek diše i sa zrakom prima kisik, ova tvar se dodatno koristi u medicini i Industrija hrane.

U medicini se kisik koristi u bocama za kisik i inhalatorima za liječenje raznih bolesti dišnog sustava, te u općoj anesteziji tijekom kirurških zahvata.

U prehrambenoj industriji kisik se koristi kao plin za punjenje i pogonsko gorivo (tvar koja stvara plin za mješavine proizvoda). Kisik je registriran kao aditivi za hranu E-948.

Kisik nam omogućuje disanje i održavanje postojanja. To je njegova glavna biološka uloga. Sudjeluje u metaboličkim procesima, u razgradnji i probavljivosti raznih hranjivim tvarima.

Kisik odnosi se na organogene elemente. Njegov sadržaj čini do 65% tjelesne težine čovjeka, odnosno više od 40 kg za odraslu osobu. Kisik je najčešći oksidans na Zemlji, a u okolišu je prisutan u dva oblika - u obliku spojeva (zemljina kora i voda: oksidi, peroksidi, hidroksidi i dr.) i u slobodnom obliku (atmosfera).

Biološka uloga kisika

Glavna (zapravo jedina) funkcija kisika je njegovo sudjelovanje kao oksidacijskog sredstva u redoks reakcijama u tijelu. Zahvaljujući prisutnosti kisika, organizmi svih životinja mogu iskoristiti (zapravo “sagorjeti”) razne tvari( , ) uz izdvajanje određene energije “izgaranja” za vlastite potrebe. U mirovanju tijelo odrasle osobe troši 1,8-2,4 g kisika u minuti.

Izvori kisika

Glavni izvor kisika za čovjeka je Zemljina atmosfera iz koje ljudski organizam putem disanja može izvući potrebnu količinu kisika za život.

Nedostatak kisika

Kada postoji nedostatak u ljudskom tijelu, razvija se takozvana hipoksija.

Uzroci nedostatka kisika

• odsutnost ili oštro smanjen sadržaj kisika u atmosferi;
• smanjeni parcijalni tlak kisika u udahnutom zraku (pri usponu na velike visine - u planinama, u zrakoplovu);
• prestanak ili smanjenje opskrbe pluća kisikom tijekom asfiksije;
• poremećaji transporta kisika (poremećaji kardiovaskularnog sustava; značajan pad hemoglobina u krvi tijekom anemije, nemogućnost hemoglobina da obavlja svoje funkcije - vezanje, transport ili otpuštanje kisika u tkiva, npr. kod trovanja ugljičnim monoksidom );
• nesposobnost tkiva da iskoriste kisik zbog poremećaja redoks procesa u tkivima (na primjer, s)

Posljedice nedostatka kisika

Kod akutne hipoksije:

• gubitak svijesti;
• poremećaj, ireverzibilna oštećenja i brza smrt središnjeg živčani sustav(doslovno za nekoliko minuta)

Za kroničnu hipoksiju:

• brz fizički i mentalni umor;
• poremećaji središnjeg živčanog sustava;
• tahikardija i nedostatak zraka u mirovanju ili s manjim tjelesna aktivnost

Višak kisika

Primjećuje se izuzetno rijetko, u pravilu, u umjetnim uvjetima (na primjer, hiperbarične komore, nepravilno odabrane smjese za disanje pri ronjenju u vodi itd.). U ovom slučaju, dugotrajno udisanje prekomjerno obogaćenog zraka kisikom prati trovanje kisikom - zbog njegove prekomjerne količine dolazi do stvaranja kisika u organima i tkivima. veliki broj slobodnih radikala, pokreće se proces spontane oksidacije organskih tvari, uključujući peroksidaciju lipida.

U prethodnom materijalu stekli smo razumijevanje odakle to osoba dobiva. Za razumijevanje procesa antioksidativnog sustava, koji također ima veliku funkcionalnost u poboljšanju zdravlja organizma, treba shvatiti važnost kisika za zdravlje i život čovjeka.

Ako zrak promatramo prema njegovim komponentama, vidjet ćemo da među onim što udišemo sadrži sljedeće:

• 78% dušika;
• 21% kisika;
• ostali plinovi 1% i sadrže 0,03% CO2.

Kemijski elementi s različitim sposobnostima privlače dodatne elektrone, a ta sposobnost ovisi o položaju bilo kojeg elementa u periodnom sustavu. To privlačenje, nazvano elektronegativnost, izražava se svojim konvencionalnim jedinicama, a što su one veće, to je veća sposobnost privlačenja elektrona.

Kada dva različita atoma međusobno djeluju, par elektrona će se pomaknuti prema najelektronegativnijem atomu. Kisik je jedan od najelektronegativnijih elemenata. Također je najtraženija komponenta na Zemlji.

Kisik se dijeli na dva oblika postojanja: kisik (O2) i ozon (Oz). To je plin bez boje, mirisa i djeluje kao vitalna tvar.
U interakciji sa svakim elementom periodnog sustava, stvara ogroman broj spojeva.

Kisik je neophodna komponenta za opskrbu čovjeka životnom energijom

Zemlja skladišti slobodni kisik u svojoj atmosferi. Vezani kisik pohranjen je u zemljinoj kori, i svježa voda i more. Kisik osigurava respiratorni proces, zatim, nakon oksidacije organskih spojeva, stvara ugljični dioksid i vodu, pri čemu se oslobađa energija.

Drugim riječima, dobivamo energiju koja nam je potrebna svake minute u životu, a koja je rezultat razgradnje hrane koju jedemo. Razgradnja hrane događa se pod utjecajem udahnutog kisika.

Sada kisik i fiziologija.

Najsloženiji skup promjena koje se događaju u tijelu na fizičkoj, biološkoj i fiziološkoj razini, u kojima tijelo prima i transformira tvari i energiju te ih neprestano izmjenjuje u okolini, jest METABOLIZAM i energija. Ovaj proces je temelj pretvorbe energije iz primljene slobodne energije
sa složenim organskim spojevima, električnim, mehaničkim i toplinskim. Odnos između metabolizma masti, ugljikohidrata i bjelančevina, popraćen biokemijskim procesima koji reguliraju hormone, omogućuje nam da svojim stanicama opskrbimo maksimalnu energiju.

Jeste li znali da je težina osobe 62% ispunjena kisikom?
Na primjer, ako je vaša težina 70 kg, tada je 43 kg kisika. dat ću ti zanimljiva činjenica, iza
Svaki dan pojedemo 2 kg kisika i udahnemo 900 grama zraka. Za one koji ne znaju, informacija za vas - Oz (ozon), kao oblik kisika, je otrovan.

Kome ne treba kisik za život?

Nema potrebe za kisikom u anaerobnim bakterijama i morskim stanovnicima (njihova energija se temelji
tvari dobivene kao rezultat vulkanske aktivnosti) Sva ostala živa bića trebaju kisik. Bez njega je život na planeti nemoguć. Njegova odsutnost od samo 5-7 minuta uzrokuje hipoksiju (nedostatak kisika) tkiva i uzrokuje smrt.

Hrana tijelu donosi elektrone i protone vodika. Protoni, na primjer, dolaze iz hrane u organskim kiselinama, a elektrone dobivaju metali s promjenjivom valencijom i vitamini, posebice C i E. Biološkom oksidacijom dobiva se potreban supstrat koji se sastoji od glukoze, au nju se pretvaraju lako probavljivi ugljikohidrati iz hrane , zauzvrat.

Jednostavno rečeno, elektrone dovodi kisik, a protone vodik. Protoni i elektroni zajedno stvaraju kovalentne veze (biosinteza molekule). Vitalni elementi tijela (proteini, nukleinske kiseline itd.) također su ispunjeni kisikom. Disanje bez njega je besmisleno, bez kisika je nemoguća i oksidacija masti, bjelančevina, aminokiselina, ugljikohidrata i drugi biokemijski procesi.

Tijekom dana, kada smo budni, trošimo veliku količinu kisika. U naše tijelo ulazi prirodnim putem i udiše se kroz pluća. Zatim dragocjena biokomponenta ulaskom u krv počinje apsorbirati hemoglobin, pretvarajući ga u oksihemoglobin, a zatim se distribuira po svim našim komponentama (tkivima i organima). Ali također
također dolazi u vezanom obliku kada pijemo vodu. Primivši kisik, tkiva ga troše na metabolički proces, za oksidaciju raznih elemenata. Daljnji put kisika usmjeren je na njegov metabolizam do CO2 (ugljični dioksid) i H2O (voda) te se u konačnici organizam izlučuje - bubrezima i plućima.

Kako bi se osiguralo održavanje života Svaki živi organizam mora stalno održavati određenu razinu metabolizma između organa i tkiva unutar tijela i s vanjskim okolišem. Iz vanjske sredine tijelo prima hranjive tvari koje djelomično pretvara u vlastita tkiva, au vanjsku sredinu otpušta otpadne tvari koje su organizmu nepotrebne ili čak štetne. Dakle, prisutnost metabolizma određuje samu činjenicu života organizma.
Za osiguranje metabolizma potrebna je energija. U tijelu viših životinja energija se stvara kao rezultat složenih biokemijskih reakcija, čija su osnova procesi oksidacije.

Glavni supstrat ugljikohidrati koji podliježu oksidaciji. Udio ugljikohidrata kao supstrata za proizvodnju energije među ostalim tvarima iznosi više od 80%. Također sudjeluje u procesu oksidacije masna kiselina i aminokiseline.

Jedini oksidans je kisik (aerobna glikoliza). S nedostatkom kisika počinje funkcionirati drevniji mehanizam proizvodnje energije - anaerobna glikoliza, čija je učinkovitost 18 puta manja.
U procesu složenih biokemijske transformacije tvari, sudjelujući u metaboličkim procesima, razgrađuju se uglavnom na ugljični dioksid (ugljični dioksid) i ureu, koje iz tijela uklanjaju relevantni organi. U zdravom tijelu ovaj oksidativni proces prati oslobađanje energije u iznosu od približno 3000-3500 Kcal.

Od proizvodnje energije je jedan od najvažnijih kriterija za vitalnu aktivnost tijela, onda stalna kontrola (monitoring) ovog parametra može biti značajan čimbenik u dobivanju informacija. Energetsko snimanje posebno je važno kod bolesnika u kritičnim stanjima tijekom reanimacije i intenzivne njege.
Glavni problem Za održavanje metabolizma kisik je problem, jer njegove rezerve su tako beznačajne da omogućuju tijelu da funkcionira samo nekoliko minuta.

Sadržaj kisik u krvi pri udisanju atmosferskog zraka iznosi 850 ml., pri udisanju 100% kisika - 950 ml. Zalihe kisika u plućima sadržane su u njihovom funkcionalnom rezidualnom kapacitetu (FRC) i pri udisanju zraka iznose 450 ml, a pri udisanju 100% kisika 3000 ml. U malim količinama (250-300 ml) kisik se nalazi u tkivima u otopljenom ili vezanom stanju. Tako su ukupne zalihe kisika u tijelu oko 1,5 litara pri udisanju zraka i nešto više od četiri litre pri udisanju stopostotnog kisika.

S obzirom na to da je u odmor osoba konzumira oko 250 ml kisika u minuti, a uz tjelesnu aktivnost i razn patološka stanja 02 povećava se nekoliko puta, postaje očito da rezerve kisika ne mogu trajati više od 5-6 minuta.
Zato se u procesu Tijekom evolucije viših organizama pojavili su se sustavi organa koji su dizajnirani da osiguraju neprekidnu opskrbu tijela kisikom.

Ovo je prije svega sustav. krv, u kojem se kisik nakuplja kao otopina u plazmi i kemijski veže s hemoglobinom.
Ovo je sustav dišni organi (usne šupljine, ždrijelo, grkljan, dušnik, bronhi i pluća), u kojima se odvija prijelaz kisika iz vanjske sredine u krv i ugljičnog dioksida iz krvi u vanjsku sredinu (izmjena plinova).
Ovo je sustav krvožilni organi, koji osigurava transport kisika do organa i tkiva i uklanjanje ugljičnog dioksida.

Kisik- jedan od najčešćih elemenata ne samo u prirodi, već iu sastavu ljudskog tijela.

Posebna svojstva kisika su: kemijski element učinila ga je, tijekom evolucije živih bića, neophodnim partnerom u temeljnim procesima života. Elektronska konfiguracija molekule kisika je takva da ima nesparene elektrone, koji su vrlo reaktivni. Posjedujući stoga visoka oksidacijska svojstva, molekula kisika se u biološkim sustavima koristi kao svojevrsna zamka za elektrone, čija se energija gasi kada se povežu s kisikom u molekuli vode.

Nema sumnje da je kisik "kod kuće" za biološke procese kao akceptor elektrona. Topivost kisika u vodenoj i lipidnoj fazi također je vrlo korisna za organizam čije su stanice (osobito biološke membrane) građene od fizički i kemijski različitih materijala. To mu omogućuje relativno laku difuziju do bilo koje strukturne formacije stanica i sudjelovanje u oksidativnim reakcijama. Istina, kisik u mastima otapamo nekoliko puta bolje nego u vodeni okoliš, a to se uzima u obzir pri korištenju kisika kao terapeutskog sredstva.

Svaka stanica našeg tijela zahtijeva nesmetanu opskrbu kisikom, gdje se koristi u različitim metaboličkim reakcijama. Da biste ga isporučili i razvrstali u ćelije, potreban vam je prilično moćan transportni uređaj.

U normalnim uvjetima, stanice tijela svake minute trebaju opskrbiti oko 200-250 ml kisika. Lako je izračunati da je dnevna potreba za njim znatna (oko 300 litara). S napornim radom ta se potreba udeseterostručuje.

Do difuzije kisika iz plućnih alveola u krv dolazi zahvaljujući alveolarno-kapilarnoj razlici (gradijentu) napetosti kisika koja pri udisanju normalnog zraka iznosi: 104 (pO 2 u alveolama) - 45 (pO 2 u plućnim kapilarama ) = 59 mm Hg. Umjetnost.

Alveolarni zrak (s prosječnim kapacitetom pluća od 6 litara) ne sadrži više od 850 ml kisika, a ta alveolarna rezerva može opskrbljivati ​​tijelo kisikom samo 4 minute, s obzirom da je prosječna potreba tijela za kisikom u normalnim uvjetima približno 200 ml po minuti.

Izračunato je da ako bi se molekularni kisik jednostavno otopio u krvnoj plazmi (a on se u njoj slabo otapa - 0,3 ml u 100 ml krvi), tada je za osiguranje normalne potrebe stanica za njim potrebno povećati brzina vaskularnog protoka krvi do 180 l u minuti. Zapravo, krv se kreće brzinom od samo 5 litara u minuti. Isporuku kisika u tkiva provodi prekrasna tvar - hemoglobin.

Hemoglobin sadrži 96% proteina (globin) i 4% neproteinske komponente (hem). Hemoglobin, poput hobotnice, hvata kisik sa svoja četiri pipka. Ulogu „pipaka“ koja specifično hvataju molekule kisika u arterijskoj krvi pluća ima hem, odnosno dvovalentni atom željeza smješten u njegovom središtu. Željezo je "pričvršćeno" unutar porfirinskog prstena pomoću četiri veze. Ovaj kompleks željeza s porfirinom naziva se protohem ili jednostavno hem. Druge dvije željezne veze usmjerene su okomito na ravninu porfirinskog prstena. Jedan od njih ide u proteinsku podjedinicu (globin), a drugi je slobodan, izravno hvata molekularni kisik.

Polipeptidni lanci hemoglobina raspoređeni su u prostoru na takav način da se njihova konfiguracija približava sferičnoj. Svaka od četiri globule ima "džep" u kojem se nalazi hem. Svaki hem je sposoban uhvatiti jednu molekulu kisika. Molekula hemoglobina može vezati najviše četiri molekule kisika.

Kako "radi" hemoglobin?

Promatranja respiratornog ciklusa “molekularnih pluća” (kako je slavni engleski znanstvenik M. Perutz nazvao hemoglobin) otkrivaju nevjerojatna svojstva ovog pigmentnog proteina. Ispostavilo se da sva četiri dragulja rade zajedno, a ne neovisno. Svaki od dragulja je, takoreći, obaviješten o tome je li njegov partner dodao kisik ili ne. U deoksihemoglobinu, svi "pipci" (atomi željeza) strše iz ravnine porfirinskog prstena i spremni su vezati molekulu kisika. Uhvativši molekulu kisika, željezo se uvlači unutar porfirinskog prstena. Prvu molekulu kisika najteže je vezati, a svaka sljedeća sve je bolja i lakša. Drugim riječima, hemoglobin djeluje prema poslovici "apetit dolazi s jelom". Dodatak kisika mijenja čak i svojstva hemoglobina: on postaje jača kiselina. Ova činjenica je od velike važnosti u prijenosu kisika i ugljičnog dioksida.

Zasitivši se kisikom u plućima, hemoglobin u crvenim krvnim stanicama prenosi ga kroz krvotok do stanica i tkiva u tijelu. Međutim, prije zasićenja hemoglobina, kisik se mora otopiti u krvnoj plazmi i proći kroz membranu crvenih krvnih stanica. U praksi, osobito pri primjeni terapije kisikom, važno je da liječnik uzme u obzir potencijalne sposobnosti hemoglobina eritrocita da zadržava i isporučuje kisik.

Jedan gram hemoglobina u normalnim uvjetima može vezati 1,34 ml kisika. Razmišljajući dalje, možemo izračunati da pri prosječnom sadržaju hemoglobina u krvi od 14-16 ml%, 100 ml krvi veže 18-21 ml kisika. Ako uzmemo u obzir volumen krvi, koji u prosjeku iznosi oko 4,5 litara u muškaraca i 4 litre u žena, tada je maksimalna aktivnost vezanja hemoglobina eritrocita oko 750-900 ml kisika. Naravno, to je moguće samo ako je sav hemoglobin zasićen kisikom.

Pri udisanju atmosferskog zraka hemoglobin je nepotpuno zasićen - 95-97%. Možete ga zasititi korištenjem čistog kisika za disanje. Dovoljno je povećati njegov sadržaj u udahnutom zraku na 35% (umjesto uobičajenih 24%). U tom će slučaju kapacitet kisika biti maksimalan (jednak 21 ml O 2 na 100 ml krvi). Kisik se više neće moći vezati zbog nedostatka slobodnog hemoglobina.

Mala količina kisika ostaje otopljena u krvi (0,3 ml na 100 ml krvi) te se u tom obliku prenosi u tkiva. U prirodnim uvjetima potrebe tkiva zadovoljavaju se kisikom vezanim za hemoglobin, jer je kisik otopljen u plazmi neznatna količina - samo 0,3 ml u 100 ml krvi. To dovodi do zaključka: ako tijelo treba kisik, onda ne može živjeti bez hemoglobina.

Tijekom svog života (to je otprilike 120 dana), crvena krvna zrnca obavljaju ogroman posao, prenoseći oko milijardu molekula kisika iz pluća u tkiva. Međutim, hemoglobin ima zanimljiva značajka: ne dodaje uvijek kisik s istom pohlepom, kao što ga ne daje s istom spremnošću ni okolnim stanicama. Ovo ponašanje hemoglobina određeno je njegovom prostornom strukturom i može se regulirati unutarnjim i vanjskim čimbenicima.

Proces zasićenja hemoglobina kisikom u plućima (odnosno disocijacije hemoglobina u stanicama) opisuje se krivuljom u obliku slova S. Zahvaljujući ovoj ovisnosti moguća je normalna opskrba stanica kisikom i uz male razlike u krvi (od 98 do 40 mm Hg).

Položaj krivulje u obliku slova S nije konstantan, a njegova promjena ukazuje na važne promjene u biološkim svojstvima hemoglobina. Ako se krivulja pomakne ulijevo i njezin se zavoj smanji, to ukazuje na povećanje afiniteta hemoglobina za kisik i smanjenje obrnutog procesa - disocijacije oksihemoglobina. Naprotiv, pomak ove krivulje udesno (i povećanje zavoja) ukazuje na upravo suprotnu sliku - smanjenje afiniteta hemoglobina za kisik i njegovo bolje otpuštanje u tkiva. Jasno je da je pomicanje krivulje ulijevo preporučljivo za hvatanje kisika u plućima, a udesno za otpuštanje u tkiva.

Krivulja disocijacije oksihemoglobina mijenja se ovisno o pH okoliša i temperaturi. Što je niži pH (pomak na kiselu stranu) i što je viša temperatura, hemoglobin lošije hvata kisik, ali ga bolje daje tkivima tijekom disocijacije oksihemoglobina. Stoga zaključak: u vrućoj atmosferi, zasićenje krvi kisikom događa se neučinkovito, ali s povećanjem tjelesne temperature, istovar oksihemoglobina iz kisika je vrlo aktivan.

Crvena krvna zrnca također imaju vlastite regulatorne uređaje. To je 2,3-difosfoglicerinska kiselina, nastala tijekom razgradnje glukoze. "Raspoloženje" hemoglobina u odnosu na kisik također ovisi o ovoj tvari. Kada se 2,3-difosfoglicerinska kiselina nakuplja u crvenim krvnim stanicama, ona smanjuje afinitet hemoglobina za kisik i potiče njegovo otpuštanje u tkiva. Ako ga nema dovoljno, slika je suprotna.

Zanimljivi događaji također se događaju u kapilarama. Na arterijskom kraju kapilare dolazi do difuzije kisika okomito na kretanje krvi (iz krvi u stanicu). Kretanje se događa u smjeru razlike parcijalnih tlakova kisika, tj. u stanice.

Stanice daju prednost fizički otopljenom kisiku i on se prvi koristi. U isto vrijeme, oksihemoglobin se oslobađa svog tereta. Što organ intenzivnije radi, to mu je potrebno više kisika. Kada se kisik oslobodi, hemoglobinska pipka se oslobađaju. Uslijed apsorpcije kisika u tkivima, sadržaj oksihemoglobina u venskoj krvi pada s 97 na 65-75%.

Iskrcavanje oksihemoglobina istodobno potiče transport ugljičnog dioksida. Potonji, formiran u tkivima kao konačni proizvod izgaranja tvari koje sadrže ugljik, ulazi u krv i može uzrokovati značajno smanjenje pH okoliša (zakiseljavanje), što je nespojivo sa životom. Zapravo, pH arterijske i venske krvi može varirati u iznimno uskom rasponu (ne više od 0,1), a za to je potrebno neutralizirati ugljični dioksid i ukloniti ga iz tkiva u pluća.

Zanimljivo je da nakupljanje ugljičnog dioksida u kapilarama i blagi pad pH okoliša samo doprinose oslobađanju kisika oksihemoglobinom (krivulja disocijacije pomiče se udesno, a zavoj u obliku slova S se povećava). Hemoglobin, koji ima ulogu samog puferskog sustava krvi, neutralizira ugljični dioksid. U tom slučaju nastaju bikarbonati. Dio ugljičnog dioksida veže sam hemoglobin (što rezultira stvaranjem karbhemoglobina). Procjenjuje se da hemoglobin izravno ili neizravno sudjeluje u transportu do 90% ugljičnog dioksida iz tkiva u pluća. U plućima se događaju suprotni procesi, jer oksigenacija hemoglobina dovodi do povećanja njegove kisela svojstva i oslobađanje vodikovih iona u okoliš. Potonji, u kombinaciji s bikarbonatima, tvore ugljičnu kiselinu, koju enzim ugljične anhidraze razgrađuje u ugljikov dioksid i vodu. Ugljični dioksid oslobađaju pluća, a oksihemoglobin, vezujući katione (u zamjenu za odvojene ione vodika), kreće se u kapilare perifernih tkiva. Ovako bliska povezanost između opskrbe tkiva kisikom i odvođenja ugljičnog dioksida iz tkiva u pluća podsjeća nas da pri korištenju kisika u medicinske svrhe ne treba zaboraviti na još jednu funkciju hemoglobina - oslobađanje organizma od viška ugljičnog dioksida.

Arterijska venska razlika ili razlika tlaka kisika duž kapilare (od arterijskog do venskog kraja) daje predodžbu o potrebi tkiva za kisikom. Duljina kapilarnog putovanja oksihemoglobina razlikuje se u različitim organima (i njihove potrebe za kisikom nisu iste). Stoga, primjerice, napetost kisika u mozgu pada manje nego u miokardu.

Ovdje je, međutim, potrebno napraviti rezervu i podsjetiti se da su miokard i druga mišićna tkiva u posebni uvjeti. U mišićne stanice dostupno aktivni sustav hvatanje kisika iz krvi koja teče. Tu funkciju obavlja mioglobin, koji ima istu strukturu i djeluje na istom principu kao i hemoglobin. Samo mioglobin ima jedan proteinski lanac (a ne četiri, kao hemoglobin) i, ​​prema tome, jedan hem. Mioglobin je kao četvrtina hemoglobina i hvata samo jednu molekulu kisika.

Jedinstvena struktura mioglobina, koja je ograničena samo na tercijarnu razinu organizacije njegove proteinske molekule, povezana je s interakcijom s kisikom. Mioglobin veže kisik pet puta brže od hemoglobina (ima veliki afinitet za kisik). Krivulja zasićenja mioglobina (ili disocijacije oksimioglobina) s kisikom ima oblik hiperbole, a ne S-oblika. To ima veliki biološki smisao, budući da mioglobin, smješten duboko u mišićnom tkivu (gdje je parcijalni tlak kisika nizak), pohlepno grabi kisik čak i u uvjetima niske napetosti. Stvara se svojevrsna rezerva kisika, koja se po potrebi troši na stvaranje energije u mitohondrijima. Na primjer, u srčanom mišiću, gdje ima mnogo mioglobina, tijekom dijastole stvara se u stanicama rezerva kisika u obliku oksimioglobina, koji tijekom sistole zadovoljava potrebe mišićnog tkiva.

Očito je stalni mehanički rad mišićnih organa zahtijevao dodatne uređaje za hvatanje i čuvanje kisika. Priroda ga je stvorila u obliku mioglobina. Moguće je da i nemišićne stanice imaju neki još nepoznati mehanizam za hvatanje kisika iz krvi.

Općenito, korisnost rada hemoglobina eritrocita određena je koliko je bio u stanju nositi do stanice i prenijeti molekule kisika u nju i ukloniti ugljični dioksid koji se nakuplja u kapilarama tkiva. Nažalost, taj radnik ponekad ne radi punim kapacitetom i to bez svoje krivnje: otpuštanje kisika iz oksihemoglobina u kapilaru ovisi o sposobnosti biokemijskih reakcija u stanicama da troše kisik. Ako se troši malo kisika, tada se čini da on "stagnira" i zbog svoje niske topljivosti u tekućem mediju više ne dolazi iz arterijskog korita. Liječnici opažaju smanjenje arteriovenske razlike kisika. Ispostavilo se da hemoglobin beskorisno nosi dio kisika, a osim toga, nosi manje ugljičnog dioksida. Situacija nije ugodna.

Poznavanje obrazaca rada sustava za prijenos kisika u prirodnim uvjetima omogućuje liječniku izvlačenje niza korisnih zaključaka za pravilnu upotrebu terapija kisikom. Podrazumijeva se da je uz kisik potrebno koristiti i sredstva koja stimuliraju zitropoezu, povećavaju protok krvi u oboljelom tijelu i pomažu korištenje kisika u tkivima tijela.

Istodobno, potrebno je jasno znati za koje se svrhe kisik troši u stanicama, osiguravajući njihovo normalno postojanje?

Na svom putu do mjesta sudjelovanja u metaboličkim reakcijama unutar stanica, kisik svladava mnoge strukturne tvorevine. Najvažnije od njih su biološke membrane.

Svaka stanica ima plazma (ili vanjsku) membranu i bizarnu raznolikost drugih membranskih struktura koje vežu substanične čestice (organele). Membrane nisu samo pregrade, već tvorevine koje obavljaju posebne funkcije (transport, razgradnja i sinteza tvari, proizvodnja energije itd.), koje su određene njihovom organizacijom i sastavom biomolekula koje su u njima uključene. Unatoč varijabilnosti oblika i veličina membrana, one se pretežno sastoje od proteina i lipida. Ostale tvari koje se također nalaze u membranama (na primjer, ugljikohidrati) povezane su kemijskim vezama ili s lipidima ili s proteinima.

Nećemo se zadržavati na detaljima organizacije proteinsko-lipidnih molekula u membranama. Važno je napomenuti da svi modeli strukture biomembrana ("sendvič", "mozaik" itd.) pretpostavljaju prisutnost u membranama bimolekularnog lipidnog filma koji zajedno drže proteinske molekule.

Lipidni sloj membrane je tekući film koji je u stalnom kretanju. Kisik zbog dobre topljivosti u mastima prolazi kroz dvostruki lipidni sloj membrana i ulazi u stanice. Dio kisika prenosi se na unutarnje okruženje stanice putem prijenosnika kao što je mioglobin. Vjeruje se da je kisik u stanici u topljivom stanju. Vjerojatno se više otapa u lipidnim tvorevinama, a manje u hidrofilnim. Podsjetimo se da struktura kisika savršeno zadovoljava kriterije oksidacijskog sredstva koje se koristi kao zamka elektrona. Poznato je da se glavna koncentracija oksidativnih reakcija događa u posebnim organelama, mitohondrijima. O namjeni ovih malih (0,5 do 2 mikrona) čestica govore slikovite usporedbe koje su biokemičari dali mitohondrijima. Nazivaju ih i “energetskim stanicama” i “elektranama” stanice, čime se naglašava njihova vodeća uloga u stvaranju energetski bogatih spojeva.

Ovdje vjerojatno vrijedi napraviti malu digresiju. Kao što znate, jedna od temeljnih karakteristika živih bića je učinkovito izvlačenje energije. Ljudsko tijelo koristi vanjske izvore energije - hranjive tvari (ugljikohidrate, lipide i bjelančevine), koje se uz pomoć hidrolitičkih enzima gastrointestinalnog trakta usitnjavaju u manje komadiće (monomere). Potonji se apsorbiraju i dostavljaju stanicama. Samo one tvari koje sadrže vodik, koji ima veliku zalihu slobodne energije, imaju energetsku vrijednost. Glavni zadatak stanice, odnosno enzima sadržanih u njoj, je obrada supstrata na način da se iz njih ukloni vodik.

Gotovo svi enzimski sustavi koji imaju sličnu ulogu lokalizirani su u mitohondrijima. Ovdje se oksidiraju fragment glukoze (pirogrožđana kiselina), masne kiseline i ugljikovi kosturi aminokiselina. Nakon završne obrade, preostali vodik se "skida" s tih tvari.

Vodik, koji se iz zapaljivih tvari izdvaja uz pomoć posebnih enzima (dehidrogenaza), nije u slobodnom obliku, već u vezi s posebnim nosačima – koenzimima. To su derivati ​​nikotinamida (vitamin PP) - NAD (nikotinamid adenin dinukleotid), NADP (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat) i derivati ​​riboflavina (vitamin B 2) - FMN (flavin mononukleotid) i FAD (flavin adenin dinukleotid).

Vodik ne izgara odmah, već postupno, u obrocima. U suprotnom stanica ne bi mogla iskoristiti svoju energiju, jer bi pri interakciji vodika s kisikom došlo do eksplozije, što se lako pokazuje u laboratorijskim pokusima. Kako bi vodik u dijelovima oslobađao energiju sadržanu u njemu, u unutarnjoj membrani mitohondrija nalazi se lanac nositelja elektrona i protona, inače nazvan respiratorni lanac. Na određenom dijelu ovog lanca, staze elektrona i protona se razilaze; elektroni skaču kroz citokrome (koji se kao i hemoglobin sastoje od proteina i hema), a protoni bježe u okolinu. Na krajnjoj točki dišnog lanca, gdje se nalazi citokrom oksidaza, elektroni “skliznu” na kisik. U tom slučaju, energija elektrona potpuno se gasi, a kisik, koji veže protone, reducira se na molekulu vode. Voda energetska vrijednost jer tijelo više ne predstavlja.

Energija koju odaju elektroni koji skaču duž dišnog lanca pretvara se u energiju kemijskih veza adenozin trifosfata - ATP, koji služi kao glavni akumulator energije u živim organizmima. Budući da su ovdje spojena dva čina: oksidacija i stvaranje energetski bogatih fosfatnih veza (prisutnih u ATP-u), proces stvaranja energije u dišnom lancu naziva se oksidativna fosforilacija.

Kako nastaje kombinacija kretanja elektrona duž dišnog lanca i hvatanja energije tijekom tog kretanja? Još nije posve jasno. U međuvremenu, djelovanje pretvarača biološke energije omogućilo bi rješavanje mnogih problema vezanih uz spas tjelesnih stanica zahvaćenih patološkim procesom, koje u pravilu doživljavaju energetski nedostatak. Prema mišljenju stručnjaka, otkrivanje tajni mehanizma stvaranja energije u živim bićima dovest će do stvaranja tehnički perspektivnijih generatora energije.

To su perspektive. Za sada je poznato da se hvatanje energije elektrona događa u tri dijela dišnog lanca, pa stoga izgaranjem dva atoma vodika nastaju tri molekule ATP-a. Učinkovitost takvog energetskog transformatora je blizu 50%. Uzimajući u obzir da je udio energije dovedene u stanicu tijekom oksidacije vodika u respiratornom lancu najmanje 70-90%, šarolike usporedbe koje su dodijeljene mitohondrijima postaju jasne.

Energija ATP-a koristi se u raznim procesima: za sastavljanje složenih struktura (na primjer, proteina, masti, ugljikohidrata, nukleinskih kiselina) iz građevnih proteina, mehaničke aktivnosti (kontrakcija mišića), električnog rada (nastanak i širenje živčanih impulsa ), transport i akumulacija tvari unutar stanica itd. Ukratko, život bez energije je nemoguć, a čim dođe do njenog oštrog manjka, živa bića umiru.

Vratimo se pitanju mjesta kisika u proizvodnji energije. Na prvi pogled, izravno sudjelovanje kisika u ovom vitalnom važan proces. Vjerojatno bi bilo prikladno usporediti izgaranje vodika (i posljedično stvaranje energije) s proizvodnom linijom, iako respiratorni lanac nije linija za sastavljanje, već za "rastavljanje" materije.

Na početku dišnog lanca je vodik. Od njega tok elektrona juri do konačnog odredišta - kisika. U nedostatku kisika ili njegovom nedostatku, proizvodna linija ili staje ili ne radi punim kapacitetom, jer je nema tko istovariti, ili je učinkovitost istovara ograničena. Nema protoka elektrona - nema energije. Prema prikladnoj definiciji izvanrednog biokemičara A. Szent-Gyorgyija, život je kontroliran protokom elektrona, čije je kretanje zadano vanjski izvor energija – Sunce. Primamljivo je nastaviti ovu misao i dodati da budući da životom upravlja protok elektrona, tada kisik održava kontinuitet tog protoka

Je li moguće kisik zamijeniti drugim akceptorom elektrona, rasteretiti dišni lanac i obnoviti proizvodnju energije? U principu je moguće. To se lako dokazuje u laboratorijskim pokusima. Za tijelo je odabir akceptora elektrona kao što je kisik tako da se lako prenosi, prodire u sve stanice i sudjeluje u redoks reakcijama još uvijek neshvatljiv zadatak.

Dakle, kisik, održavajući kontinuitet protoka elektrona u dišnom lancu, u normalnim uvjetima pridonosi stalnom stvaranju energije iz tvari koje ulaze u mitohondrije.

Naravno, gore prikazana situacija je donekle pojednostavljena, a to smo učinili kako bismo jasnije prikazali ulogu kisika u regulaciji energetskih procesa. Učinkovitost takve regulacije određena je radom aparata za pretvaranje energije gibajućih elektrona (električne struje) u kemijsku energiju ATP veza. Ako su hranjive tvari prisutne čak i uz prisutnost kisika. spali u mitohondrijima “uzalud”, oslobođeni u isto vrijeme Termalna energija je beskoristan za tijelo i može doći do energetskog gladovanja sa svim posljedicama. Međutim, takvi ekstremni slučajevi poremećene fosforilacije tijekom prijenosa elektrona u tkivnim mitohondrijima teško su mogući i nisu se susreli u praksi.

Puno su češći slučajevi disregulacije proizvodnje energije povezane s nedovoljnom opskrbom stanica kisikom. Znači li to trenutnu smrt? Ispostavilo se da nije. Evolucija je odlučila mudro, ostavljajući određenu rezervu energetske snage za ljudska tkiva. Omogućuje ga bezkisikov (anaerobni) put za stvaranje energije iz ugljikohidrata. Njegova je učinkovitost, međutim, relativno niska, budući da oksidacija istih hranjivih tvari u prisutnosti kisika daje 15-18 puta više energije nego bez njega. Međutim, u kritičnim situacijama tjelesna tkiva ostaju sposobna za život upravo zahvaljujući anaerobnoj proizvodnji energije (putem glikolize i glikogenolize).

Ovo je kratka digresija koja govori o tome potencijalna prilika stvaranje energije i postojanje organizma bez kisika, još jedan dokaz da je kisik najvažniji regulator životnih procesa i da je bez njega postojanje nemoguće.

Međutim, ne manje važno je sudjelovanje kisika ne samo u energetskim, već iu plastičnim procesima. Ovu stranu kisika istaknuli su još 1897. godine naš izvrsni sunarodnjak A. N. Bach i njemački znanstvenik K. Engler, koji su razvili stav "o sporoj oksidaciji tvari s aktivnim kisikom". Dugo su te odredbe ostale u zaboravu zbog prevelikog zanimanja istraživača za problem sudjelovanja kisika u energetskim reakcijama. Tek 60-ih godina našeg stoljeća ponovno se postavlja pitanje uloge kisika u oksidaciji mnogih prirodnih i stranih spojeva. Kako se pokazalo, ovaj proces nema nikakve veze s proizvodnjom energije.

Glavni organ koji koristi kisik za uvođenje u molekulu oksidirane tvari je jetra. U stanicama jetre na taj se način neutraliziraju mnogi strani spojevi. I ako se jetra s pravom naziva laboratorijem za neutralizaciju lijekova i otrova, onda kisiku u tom procesu pripada vrlo počasno (ako ne i dominantno) mjesto.

Ukratko o lokalizaciji i dizajnu uređaja za potrošnju kisika za plastične svrhe. U membranama endoplazmatskog retikuluma, koji prodire u citoplazmu jetrenih stanica, nalazi se kratki lanac prijenosa elektrona. Razlikuje se od dugog (s velikim brojem nosača) respiratornog lanca. Izvor elektrona i protona u ovom lancu je reducirani NADP, koji nastaje u citoplazmi, na primjer, tijekom oksidacije glukoze u pentozofosfatnom ciklusu (stoga se glukoza može nazvati punim partnerom u detoksikaciji tvari). Elektroni i protoni se prenose u poseban protein koji sadrži flavin (FAD) i od njega do završne karike - posebnog citokroma zvanog citokrom P-450. Poput hemoglobina i mitohondrijskih citokroma, on je protein koji sadrži hem. Njegova funkcija je dvojaka: veže oksidiranu tvar i sudjeluje u aktivaciji kisika. Krajnji rezultat tako složene funkcije citokroma P-450 je da jedan atom kisika ulazi u molekulu oksidirane tvari, a drugi u molekulu vode. Očigledne su razlike između završnih akata potrošnje kisika tijekom stvaranja energije u mitohondrijima i tijekom oksidacije tvari u endoplazmatskom retikulumu. U prvom slučaju, kisik se koristi za stvaranje vode, au drugom - za stvaranje vode i oksidiranog supstrata. Udio kisika potrošenog u organizmu za plastične svrhe može iznositi 10-30% (ovisno o uvjetima za povoljno odvijanje ovih reakcija).

Besmisleno je postavljati pitanje (čak i čisto teoretski) o mogućnosti zamjene kisika drugim elementima. S obzirom da je ovaj put iskorištavanja kisika nužan i za izmjenu najvažnijih prirodnih spojeva - kolesterola, žučnih kiselina, steroidnih hormona - lako je razumjeti dokle sežu funkcije kisika. Ispostavilo se da regulira stvaranje niza važnih endogenih spojeva i detoksikaciju stranih tvari (ili, kako se danas naziva, ksenobiotika).

Treba, međutim, napomenuti da enzimski sustav endoplazmatskog retikuluma, koji koristi kisik za oksidaciju ksenobiotika, ima određene troškove, koji su sljedeći. Ponekad, kada se u tvar unese kisik, nastaje otrovniji spoj od prvobitnog. U takvim slučajevima kisik djeluje kao suučesnik u trovanju tijela bezopasnim spojevima. Takvi troškovi poprimaju ozbiljan zaokret, primjerice, kada iz prokarcinogena uz sudjelovanje kisika nastaju karcinogeni. Konkretno, dobro poznata komponenta duhanskog dima, benzopiren, koji se smatrao kancerogenom, zapravo poprima ta svojstva kada se oksidira u tijelu i tvori oksibenzpiren.

Ove nas činjenice tjeraju da obratimo pozornost na one enzimske procese u kojima se kisik koristi kao građevinski materijal. U nekim slučajevima potrebno je razviti preventivne mjere protiv ove metode potrošnje kisika. Ovaj zadatak je vrlo težak, ali je potrebno tražiti pristupe kako bi se, uz pomoć razne tehnike usmjeriti regulacijske potencije kisika u smjeru potrebnom za tijelo.

Potonje je posebno važno u slučaju korištenja kisika u tako "nekontroliranom" procesu kao što je peroksidna (ili slobodnoradikalska) oksidacija nezasićenih masnih kiselina. Nezasićene masne kiseline su dio različitih lipida u biološkim membranama. Arhitektura membrana, njihova propusnost i funkcije enzimskih proteina uključenih u membrane uvelike su određeni omjerom različitih lipida. Peroksidacija lipida odvija se uz pomoć enzima ili bez njih. Druga opcija se ne razlikuje od oksidacije lipida slobodnim radikalima u konvencionalnim kemijskim sustavima i zahtijeva prisutnost askorbinske kiseline. Sudjelovanje kisika u peroksidaciji lipida, naravno, nije najviše Najbolji način primjene njegovih vrijednih bioloških svojstava. Slobodnoradikalna priroda ovog procesa, koji može pokrenuti dvovalentno željezo (središte stvaranja radikala), omogućuje mu da brzo dovede do razgradnje lipidne okosnice membrana i, posljedično, do stanične smrti.

Međutim, takva se katastrofa ne događa u prirodnim uvjetima. Stanice sadrže prirodni antioksidansi(vitamin E, selen, neki hormoni), koji prekidaju lanac peroksidacije lipida, sprječavajući stvaranje slobodnih radikala. Ipak, uporaba kisika u peroksidaciji lipida, prema nekim istraživačima, također ima pozitivne strane. U biološkim uvjetima peroksidacija lipida nužna je za samoobnavljanje membrane, jer su lipidni peroksidi spojevi topljiviji u vodi i lakše se oslobađaju iz membrane. Oni su zamijenjeni novim, hidrofobnim lipidnim molekulama. Samo prekomjernost ovog procesa dovodi do kolapsa membrana i patoloških promjena u tijelu.

Vrijeme je za svođenje računa. Dakle, kisik je najvažniji regulator vitalnih procesa, koji stanice tijela koriste kao neophodnu komponentu za stvaranje energije u dišnom lancu mitohondrija. Potrebe za kisikom u ovim procesima nejednako su zadovoljene i ovise o mnogim uvjetima (o snazi ​​enzimatskog sustava, obilnosti u supstratu i dostupnosti samog kisika), no ipak se najveći dio kisika troši na energetske procese. Dakle, “životni minimum” i funkcije pojedinih tkiva i organa tijekom akutnog nedostatka kisika određeni su endogenim rezervama kisika i snagom beskisičnog puta proizvodnje energije.

No ništa manje važno je opskrbiti kisikom i ostale plastične procese, iako se za to troši manji dio. Uz niz neophodnih prirodnih sinteza (kolesterol, žučne kiseline, prostaglandini, steroidni hormoni, biološki aktivni produkti metabolizma aminokiselina), prisutnost kisika posebno je neophodna za neutralizaciju lijekova i otrova. U slučaju trovanja stranim tvarima, možda se može pretpostaviti da je kisik od veće životne važnosti za plastiku nego za energetske svrhe. U slučaju opijenosti, ova strana djelovanja nalazi praktičnu primjenu. I samo u jednom slučaju liječnik mora razmišljati kako staviti prepreku potrošnji kisika u stanicama. Govorimo o inhibiciji korištenja kisika u peroksidaciji lipida.

Kao što vidimo, poznavanje karakteristika dostave i putova potrošnje kisika u organizmu ključno je za razotkrivanje poremećaja koji nastaju tijekom raznih vrsta hipoksičnih stanja i pravilnu taktiku. medicinsku upotrebu kisika u klinici.

Ako pronađete grešku, označite dio teksta i kliknite Ctrl+Enter.