Біохімія крові. Дихальна функція еритроцитів; регуляція кислотно-лужного стану. Патобіохімія крові.
БІОХІМІЯ КРОВІ
Кров – найбільш спеціалізована рідка тканина, що циркулює в судинній системі й разом із лімфою та міжклітинним простором складає внутрішнє середовище організму. Кров поєднує біохімічні процеси різних частин тіла в цілісну систему та підтримує постійність її складу.
У дорослої людини об’єм крові становить у середньому 5 л. Більша частина крові бере участь у кровообігу, а менша знаходиться в окремих органах (депо). На сухий залишок крові припадає 16-17 % (850 г). За масою кров в організмі перевершують тільки м’язи і кістки.
Якщо загальмувати згортання крові й відцентрифугувати її, то вона розділиться на два шари: 1) верхній – рідкий, із жовтим відтінком – плазма. На неї припадає 55 % об’єму крові; 2) нижній – клітини крові (45 %). Осіла кров утворює згусток, що скорочується, над яким розміщується прозора рідина. Це сироватка (дефібринована плазма).
Відносна густина цільної крові – 1,050-1,064; плазми – 1,024‑1,030; клітин – 1,080-1,097. Крові притаманна висока в’язкість завдяки високому вмісту білка й еритроцитів. Осмотичний тиск крові, зумовлений сумою всіх розчинних речовин, що знаходяться в одиниці об’єму при температурі 37 °С, складає приблизно 7,6 атм. Він спричинений хлоридом натрію та іншими низькомолекулярними речовинами крові. Вклад білків, переважно альбуміну, в цю величину незначний – 0,03 атм. Він називається колоїдно-осмотичним, або онкотичним, тиском крові. Кров, проходячи через різні тканини й органи, забезпечує їх поживними речовинами, забирає від них відпрацьовані метаболіти, так звані “метаболічні шлаки”, які несуть інформацію про стан організму. Тому кров вважають “внутрішнім дзеркалом організму”, яке показує стан метаболізму всього організму. Через ці причини в клініці та в наукових цілях аналіз крові широко застосовують для діагностики захворювань і контролю ефективності лікування.
Кров виконує такі функції:
1) транспорт газів – перенесення із легень до тканин кисню, а у зворотному напрямку – вуглекислого газу;
2) транспорт поживних речовин до всіх клітин організму (глюкози, амінокислот, жирних кислот, вітамінів, кетонових тіл, мікроелементів та ін.). Із різних органів кров виносить до нирок кінцеві продукти обміну – сечовину, сечову кислоту, білірубін, креатинін тощо. Звідси вони виділяються з організму;
3) регуляторна або гормоноїдна функція, пов’язана з утворенням у крові місцевих гормонів (гормоноїдів), що переносяться з місця виникнення до місця їх дії, тобто до клітин-мішеней;
4) терморегуляторна функція – обмін теплом між тканинами і кров’ю;
5) осмотична функція – підтримання осмотичного тиску в судинах;
6) захисна функція, зумовлена наявністю в крові антитіл та фагоцитарною функцією лейкоцитів;
7) детоксикаційна – знешкодження токсичних речовин, пов’язане з активним їх розщепленням за допомогою ферментів крові.
Основні компоненти цільної крові і плазми людини наведено в таблицях.
БІОХІМІЯ КЛІТИН КРОВІ
У крові розрізняють два види клітин – білі й червоні кров’яні тільця. Перші називаються білокрівцями, або лейкоцитами. Їх вміст в дорослих людей складає 4000-9000 клітин в 1 мкл крові.
Другий вид кров’яних тілець – це червонокрівці, або еритроцити, їх вміст у периферичній крові знаходиться в межах 4,5-5•1012. Крім того, в крові знаходяться ще так звані кров’яні пластинки, або тромбоцити. Розглянемо біохімічні особливості та призначення кожного з названих видів клітин.
Лейкоцити
Лейкоцити (білі кров’яні тільця) захищають організм від мікроорганізмів, вірусів та сторонніх речовин, тобто забезпечують імунний статус організму.
Лейкоцити ділять на дві групи – гранулоцити (зернисті) й агранулоцити (незернисті). До гранулоцитів відносять нейтрофіли, еозинофіли і базофіли, а в групу агранулоцитів входять моноцити і лімфоцити.
Нейтрофіли
Нейтрофіли складають 60-70 % від усіх лейкоцитів. Основне їх призначення – захист організму від мікроорганізмів і вірусів. У нейтрофілах є сегментоване ядро, ендоплазматичний ретикулум (слаборозвинений), який не містить рибосом, мало мітохондрій, добре розвинений апарат Гольджі та сотні різних гранул. Більші за розміром гранули мають пероксидази і гідролази з оптимумом активності в кислому рН. Малим гранулам властиві лужна фосфатаза, лізоцим, лактоферин і білки катіонної природи.
Нейтрофіли утворюються із стовбурових клітин – мієлобластів кісткового мозку. Вони переходять у кровообіг, а звідси – в різні тканини. В тканинах нейтрофіли живуть до двох днів, а потім гинуть. Припускають, що із тканин вони переміщуються на поверхню слизових оболонок (зокрема шлунково-кишкового тракту), звідки виводяться з організму.
Головним джерелом енергії нейтрофілів є глюкоза, яка або прямо утилізується, або перетворюється в глікоген. Більше енергії виробляється гліколітично (90 %), незначна частина глюкози перетворюється в пентозофосфатному циклі. Під час фагоцитозу відбувається не тільки посилення метаболізму глюкози, але й активація протеолізу, спрямованого на деградацію білкових антигенів. Одночасно спостерігається відновлення фосфатидної кислоти та інозитвмісних фосфогліцеридів, що вказує, очевидно, на причетність цих фосфатидів до функціонування мембран. Фагоцитоз супроводжується посиленням гліколізу та пентозофосфатного циклу. Але особливо зростає інтенсивність поглинання кисню нейтрофілами – так званий спалах дихання. Поглинутий кисень витрачається на утворення активних його форм, що здійснюється з участю ферментів:
1. НАДФ•Н-оксидаза каталізує утворення супероксидного аніона в реакції:
2. Фермент НАДН-оксидаза відповідає за утворення пероксиду водню:
3. Мієлопероксидаза каталізує утворення гіпохлорної кислоти з хлориду та пероксиду водню:
Аніон гіпохлорної кислоти може реагувати з наступною молекулою пероксиду водню й утворювати синглетний кисень:
Утворені активні форми кисню проявляють бактерицидну дію і руйнують мікробні нуклеїнові кислоти, білки та ліпіди. Головна роль у бактерицидній дії лейкоцитів належить, вірогідно, пероксиду водню і гіпохлориту. Утворений гіпохлорит викликає хлорування структур мікробної мембрани, що супроводжується їх руйнуванням. Крім цього, мієлопероксидаза за допомогою гіпохлориту декарбоксилює амінокислоти за рівнянням:
Руйнівну дію на мікроби мають і альдегіди, що утворюються у вказаній реакції.
Виражену бактерицидну дію проявляє вільний радикал ОН•, який відноситься до активних форм кисню й утворюється в реакції:
Радикали ОН• дуже нестабільні й досить активні, тому реагують практично з усіма органічними сполуками. Вони виникають також і в процесі ліпопероксидації під впливом ліпооксигеназ із ненасичених жирних кислот. За цих умов виникають ліпопероксирадикали та їх гідропероксиди, які можуть реагувати з О2• з утворенням ОН•:
О2• + RООН ®ОН• + RО– + О2 (частково IО2)
Хемілюмінісценція, що супроводжує фагоцитоз, пояснюється виникненням О2• або IО2. Синглетний кисень також є дуже активною формою кисню і знищує мікроорганізми. Зрозуміло, при надмірній кількості активних форм кисню фагоцитоз може спричинити і пошкодження клітин господаря. Для попередження цього клітини мають систему антиоксидного захисту. Зокрема, в цитоплазмі нейтрофілів виявлена глутатіонпероксидаза, яка знешкоджує пероксид водню за допомогою відновленого глутатіону:
У зворотному напрямку (відновлення глутатіону) реакція відбувається за рахунок відновленого НАДФ•Н і каталізується глутатіонредуктазою:
Надлишок пероксиду водню може усуватись і каталазою, але ця реакція відбувається лише при високих концентраціях Н2О2:
Нейтрофіли містять ще ряд пристосувань, що дозволяють їм активно фагоцитувати мікроорганізми. Сюди необхідно віднести і високу концентрацію Н+, що утворюються з лактату – кінцевого продукту гліколізу. За декілька хвилин фагоцитозу рН знижується до 4-5, що діє бактерицидно. З іншого боку, таке рН активує лізосомальні гідролази, які розкладають мертві мікробні тіла. У цьому їм допомагає лізоцим (амінополісахаридаза), що розщеплює полісахаридні ланцюги пептидгліканового шару клітинної стінки.
Бактерицидні властивості проявляє і комплекс основних білків, який називається фагоцитином (він діє при низьких значеннях рН), а також залізовмісний комплекс лактоферин.
Сприяють нейтрофілам у функції фагоцитозу і лейкотрієни (похідні арахідонової кислоти) шляхом стимуляції хемотаксису.
Таким чином, у фагоцитозі нейтрофілів беруть участь багато чинників ферментативного і неферментативного характеру і з різним механізмом дії.
Базофіли
Базофіли складають 1-5 % від усіх лейкоцитів крові. Активно утворюються в кістковому мозку при алергії. Базофіли беруть участь в алергічних реакціях, у згортанні крові та внутрішньосудинному ліполізі. Мають апарат синтезу білка, який працює за рахунок енергії дихання. Вони синтезують медіатори алергічних реакцій – гістамін і серотонін, які при алергії викликають місцеве запалення. Гепарин, що утворюється в базофілах, запобігає згортанню крові та активує внутрішньосудинну ліпопротеїнліпазу, яка розщеплює триацилгліцерин.
Базофіл
Еозинофіли
На них припадає 3-6 % від усіх лейкоцитів. Еозинофіли, як і нейтрофіли захищають клітини від мікроорганізмів: містять мієлопероксидазу, лізосомальні гідролази.
Про відношення еозинофілів до алергічних реакцій свідчить зростання їх кількості при сенсибілізації організму, наприклад, за бронхіальної астми, гельмінтозів. Вони здатні нагромаджувати і розкладати гістамін, “розчиняти” тромби з участю профібринолізину та брадикінін-кінінази.
Моноцити
Утворюються в кістковому мозку. Вони складають 4-8 % від усіх лейкоцитів.
Період перебування моноцитів у крові становить 22 години, а далі спостерігається експоненціальне зниження їх вмісту, вони виходять у тканини і нагромаджуються при запаленні. За функцією їх називають макрофагами. Тканинні макрофаги походять від моноцитів крові. Залежно від місця знаходження їх називають: у печінці – ретикулоендотеліоцитами (купферовськими клітинами), в легенях – альвеолярними макрофагами, в проміжній речовині сполучної тканини – гістіоцитами тощо. Моноцит – клітина, що має ядро та інші субклітинні органели.
На відміну від нейтрофілів, у моноцитах переважає аеробний шлях одержання енергії. Гліколіз і пентозофосфатний шлях перетворення глюкози мають другорядне значення. Моноцити характеризуються широким набором лізосомальних ферментів з оптимумом дії переважно в кислому середовищі. Головною функцією моноцитів і макрофагів є ендоцитоз і фагоцитоз. Вони фагоцитують мікробні клітини, віруси, індиферентні та агресивні частинки (пил, SіО2) та ін. На відміну від нейтрофілів, знищення поглинутих частинок відбувається не шляхом окиснення. Спочатку здійснюється негідролітичне порушення проникності й транспорту мембран мікроорганізмів, що призводить до швидкого їх знищення. Після цього починають діяти лізосомальні гідролази, які перетворюють поглинуті частинки.
Лімфоцити
Вміст – 20-25 %, утворюються в лімфоїдній тканині або тимусі, відіграють важливу роль у формуванні гуморального і клітинного імунітету.
Лімфоцити містять потужний апарат синтезу білків-імуноглобулінів, енергію одержують, здебільшого, за рахунок гліколізу, рідше – аеробним шляхом. Синтез імуноглобулінів відбувається при кооперативному функціонуванні декількох груп клітин, які утворюються в кістковому мозку. Клітини однієї групи – В-лімфоцити – залишають кістковий мозок і заселяють периферичну лімфоїдну тканину. Інша група клітин, покинувши кістковий мозок, потрапляє в тимус. Там вони перетворюються в Т-лімфоцити і через кров переносяться в лімфоїдну тканину.
Тромбоцити (кров’яні пластинки)
Вміст – менше 1 %, відіграють головну роль у процесі гемостазу. Утворюються внаслідок розпаду мегакаріоцитів у кістковому мозку. Тривалість їх життя – 7-9 днів. Не дивлячись на те, що тромбоцити не містять ядра, вони здатні виконувати практично всі функції клітини, крім синтезу ДНК. Саме через це їх іноді називають клітинами, що не зовсім правильно. У цитоплазмі тромбоцитів містяться мітохондрії і два типи гранул: 1) щільні, в яких знаходяться АДФ, АТФ, катехоламіни, серотонін; 2) альфа-гранули, вірогідно, лізосомальноі природи. Щільні гранули подібні на ендоплазматичний ретикулум, мають здатність до синтезу білків та часточок, що необхідні для виділення кальцію в середовище. Тромбоцити синтезують білки скоротливої системи: актин, міозин, тропонін, тропоміозин. Їх скоротливі властивості проявляються відразу після активації кров’яних пластинок з участю Са2+.
У них також утворюються простагландини і тромбоксани, які сприяють агрегації тромбоцитів і звуженню судин. Головним джерелом вуглеводів у тромбоцитах є глікоген. Він зазнає глікогенолізу, а далі – окиснення в мітохондріях із виділенням енергії. Пентозофосфатним шляхом перетворюється приблизно 25 % глюкози.
До основних реакцій тромбоцитів відносяться: адгезія, агрегація і секреція (з гранул). Під час адгезії (злипання) відбувається прикріплення тромбоцитів до колагену або субендотеліальної базальної мембрани, яка містить колагенові волокна. Агрегація тромбоцитів індукується тромбіном, колагеном при наявності Са2+ і турбулентним рухом тромбоцитів. Інгібують агрегацію ацетилсаліцилова кислота (аспірин), ц-АМФ та простагландини Е1 і Р2.
За умов пошкодження судин або їх ендотелію тромбоцити через декілька секунд змінюють свою форму і закривають пошкоджену поверхню (реакція з колагеном). Наступна агрегація тромбоцитів призводить до утворення тромбоцитарного тромбу, до якого приєднується нерозчинний фібрин і заповнює простір між коагульованими тромбоцитами, остання стадія процесу – контракція (ретракція) згустка крові – здійснюється з участю скоротливих білків (актоміозин), АТФ, фібриногену й іонів кальцію.
Протидіють агрегації тромбоцитів чинники, що виділяються ендотеліальними клітинами судинної стінки: АДФаза, простациклін (простагландин І2), оксид азоту NO. Простациклін і NO потенціюють антитромбоцитарні ефекти один одного.
Еритроцити
У крові людини міститься 25 трлн. еритроцитів. Основну свою функцію – перенесення О2 і СО2 – вони виконують завдяки тому, що містять 34 % гемоглобіну, а на суху масу клітин – 95 %.
Загальний вміст гемоглобіну у крові дорівнює 130-160 г/л, і якщо б гемоглобін був просто розчинний у плазмі, то розчин був би надто в’язким і його важко було б проштовхнути через судини.
Утворюються еритроцити в червоному кістковому мозку із стовбурових клітин, які послідовно проходять стадії еритробластів, пронормобластів, нормобластів до зрілих еритроцитів – нормоцитів. У процесі еритропоезу клітини-попередники зменшуються в розмірах. Їх ядра у кінці процесу руйнуються і виштовхуються з клітин. До завершення дозрівання клітини містять багато глобінової мРНК і активно синтезують гемоглобін, а в повністю зрілих еритроцитах рибосоми зникають. Крім того, еритроцити втрачають мітохондрії. Таким чином, в обміні речовин в еритроцитах кисень не використовується. Енергію, необхідну для систем транспорту через мембрани і для підтримки цілісності клітинної мембрани, еритроцити отримують за рахунок анаеробного гліколізу. 90 % глюкози в еритроцитах розпадається в процесі гліколізу і 10 % – пентозофосфатним шляхом. Відомі спадкові дефекти ферментів цих метаболічних шляхів у еритроцитів. При цьому звичайно спостерігаються гемолітична анемія й інші порушення структури і функції еритроцитів.
Швидкість еритропоезу регулюється гормоноїдами – еритропоетинами, що виробляються в нирках, а також у печінці й селезінці, та стимулюють клітинну диференціацію і проліферацію на певних етапах еритропоезу. Кількість еритропоетинів у крові зростає при гіпоксіях різного походження. За добу утворюється приблизно 200-250 млрд. еритроцитів (така ж кількість руйнується). Тривалість життя еритроцитів складає 110‑120 днів.
Гемоглобін
До складу білка гемоглобіну входять простий білок глобін та простетична група гем. Гем – це хелатний комплекс іона заліза і порфірину – циклічної сполуки, що містить 4 пірольні кільця, з’єднані метиленовими містками (рис. ).
Синтез гему
Існують різні порфірини, що відрізняються боковими групами пірольних кілець. Гем гемоглобіну, як і міоглобіну, цитохромів-b і Р-450, каталази і пероксидаз – це феропротопорфірин IX (феро – залізо двовалентне). Його ще називають протогемом. Відомі ще геми а, с, що містяться в цитохромах. Іон заліза зв’язаний із 4 атомами азоту пірольних кілець порфірину (2 зв’язки ковалентні та 2 – донорно-акцепторні). Крім цього, іон заліза поєднаний координаційним зв’язком з атомом азоту імідазольного кільця залишку гістидину, що входить до складу поліпептидного ланцюга глобіну. Додаткова стабілізація зв’язку гему з глобіном відбувається за рахунок гідрофобних та іонних взаємодій протопорфірину й амінокислотних радикалів глобіну. До шостого координаційного положення заліза можуть приєднуватись молекули кисню чи інших лігандів (СО, NO, ціанід-іон). Зв’язування кисню – процес зворотний і не супроводжується окисненням Fe2+ до Fe3+.
Глобін є олігомерним білком, що містить 4 поліпептидних ланцюги (2 альфа-ланцюги по 141 амінокислотному залишку і 2 бета-ланцюги по 146 амінокислотних залишки). Із кожним ланцюгом зв’язаний один гем. Чотири поліпептидні субодиниці в просторі розміщені у вигляді тетраедра й у щільній упаковці дають глобулярну молекулу, в якій кожна субодиниця має контакт із трьома іншими. Така будова основного гемоглобіну дорослої людини – гемоглобіну А.
Мінорні гемоглобіни еритроцитів дорослої людини – гемоглобін А2, що має структуру альфа2 дельта2, глікозильовані гемоглобіни А1b і НbА1с. На мінорні Нb припадає 5-10 %. Для еритроцитів плода характерний НbF (фетальний), який складається з двох альфа-ланцюгів і двох гамма-ланцюгів. В останні тижні вагітності й перші тижні після народження НbF поступово замінюється на НbА. Специфічні властивості НbF зумовлюють підвищену спорідненість його до О2 і, таким чином, перенесення кисню від матері до плода.
У крові людей відкрито приблизно 300 варіантів гемоглобінів, які утворилися внаслідок мутацій генів. Величезна більшість таких гемоглобінів містить одиничну амінокислотну заміну в альфа- чи бета-ланцюзі. Рідше зустрічаються аномальні гемоглобіни з делеціями чи вставками амінокислот. Багато з варіантів гемоглобінів функціонують нормально і не викликають симптомів захворювання. Але в деяких випадках структурні аномалії так істотно порушують функції гемоглобіну, що спостерігаються клінічні ознаки захворювання. Найбільш поширеним серед аномальних гемоглобінів є гемоглобін S. У людей – носіїв гена НbS – має місце серпоподібно-клітинна анемія, яка за механізмом розвитку відноситься до гемолітичних. НbS відрізняється від НbА заміною однієї амінокислоти: в 6 положенні бета-ланцюга глутамінова кислота замінена валіном. Оскільки ці амінокислоти відрізняються за зарядом і гідрофобністю, заміна проявляється низькою розчинністю НвS у дезоксиформі (розчинність оксигемоглобіну не знижується). Молекули дезоксигемоглобіну S асоціюють з утворенням ниток, волокон і пучків волокон, що зумовлює зміну форми еритроцитів. Серпоподібні клітини менш стабільні й швидко зазнають лізису.
При зменшенні кількості еритроцитів і зниженні вмісту гемоглобіну виникає анемія. У крові гомозиготних осіб є тільки НbS і в них розвивається важка анемія, смерть настає в ранньому дитячому віці. У гетерозигот, що мають в еритроцитах НbS і НbА, проявляються тільки слабкі ознаки хвороби. Характерно, що в таких індивідумів затримується розвиток в еритроцитах малярійного плазмодія і вони не хворіють на малярію або легко переносять її. Ген НbS поширений у малярійних областях. У деяких аномальних гемоглобінів збільшується або зменшується спорідненість до кисню, що також може призводити до гематологічних захворювань. Крім розглянутих гемоглобінопатій, зустрічаються спадкові хвороби внаслідок порушення утворення в рівних кількостях альфа- і бета-ланцюгів або повної відсутності синтезу одного виду ланцюгів. Ці хвороби називаються таласеміями. Внаслідок дисбалансу альфа- і бета-ланцюгів надлишкові ланцюги випадають в осад, рівень гемоглобіну і тривалість життя еритроцитів знижуються. Гомозиготна форма альфа-таласемій призводить до смерті ще в період внутрішньоутробного розвитку або незабаром після народження.
ПЛАЗМА КРОВІ
Плазма крові містить 90-91 % води і 9-10 % сухого залишку, а саме 7‑8 % білка, приблизно 1 % різноманітних небілкових органічних речовин і 0,9% – неорганічних солей. У табл. 17.1, 17.2 наведені концентрації основних органічних і неорганічних компонентів плазми крові. У фізіологічних умовах вміст їх коливається в певних межах, які називаються “нормальними”, чи “фізіологічними”. Відносно постійний рівень основних компонентів крові підтримується за допомогою регуляторних систем (ЦНС, гормональна система). За багатьох патологічних процесів відзначаються більші чи менші зрушення в хімічному складі крові.
Білки плазми крові
Загальна кількість білків, що виявлені в плазмі крові, зараз становить понад 200. Для розділення їх використовують різні фізико-хімічні методи. Методом електрофорезу в простих його варіантах білки плазми поділяються на п’ять фракцій: альбумін, альфа1-глобуліни, альфа2-глобуліни, бета-глобуліни і гама-глобуліни. При імуноелектрофорезі білки розділяються не тільки за електрофоретичною рухливістю, але і за імунними властивостями.
Електрофоретичний аналіз дозволяє встановити ряд спадкових змін деяких індивідуальних білків плазми. Часто ці зміни зумовлюють розвиток захворювань.
Альбумін
Більша частина білків плазми припадає на альбумін (55-60 %). Він має порівняно невисоку молекулярну масу (за даними різних авторів, молекулярна маса альбумінів знаходиться в межах від 55 т. до 70 т. Da) і менші розміри молекул (13×3 нм), ніж глобуліни і фібриноген. Синтезується альбумін плазми крові в печінці (10-15 г за добу). Його основні функції:
1) підтримання осмотичного тиску крові, а отже, участь у регуляції розподілу води між кров’ю і міжклітинним простором;
2) транспортна;
3) детоксикуюча.
Осмотичний тиск крові підтримується на стабільному рівні (приблизно 7,7-8,1 атм. або виражений як осмолярність – 285±10 ммоль/л). Його величина визначається, головним чином, концентрацією електролітів, а також глюкози, сечовини, амінокислот і білків. Частина осмотичного тиску крові, що забезпечується білками, називається колоїдно-осмотичним, або онкотичним. Вона складає тільки 0,03-0,04 атм., тобто приблизно 0,5 % загального осмотичного тиску, що зумовлено дуже малою кількістю в плазмі макромолекул білка порівняно з числом іонів електролітів. Але, незважаючи на малу величину, онкотичний тиск має вирішальне значення в регуляції розподілу води між плазмою і міжклітинною рідиною. Основну роль серед білків плазми в підтриманні онкотичного тиску відіграє саме альбумін. Його вклад в онкотичний тиск плазми складає 75-80 %. Це зумовлено рядом факторів. По-перше, концентрація альбуміну в плазмі більша, ніж інших білків. По-друге, серед основних білків плазми він має найменшу молекулярну масу, а чим більша молекулярна маса білка, тим менший осмотичний тиск білкового розчину. По-третє, альбумін містить велику кількість залишків дикарбонових амінокислот, які дисоціюють при рН крові й зумовлюють значний негативний заряд молекули (рівний 18). Оскільки молекули білків не проникають через ендотелій капілярів, іони електролітів розподіляються по обидва боки мембрани таким чином, що негативний заряд альбуміну компенсується більшою концентрацією катіонів і меншою концентрацією аніонів у плазмі порівняно з концентрацією їх у міжклітинній рідині (наслідок ефекту рівноваги Гібса-Донана).
На поверхні молекул альбуміну зв’язується велика кількість гідратованих іонів Nа+. Таким чином, ефективний онкотичний тиск білків плазми, основним чином альбуміну, забезпечує утримання води плазмою. Недостатність альбуміну проявляється втратою здатності зв’язувати воду, яка переходить із крові в міжклітинну рідину. Так, при зниженні вмісту альбуміну в плазмі внаслідок зменшення синтезу його в печінці (при білковому голодуванні, ураженнях ШКТ, захворюваннях печінки) чи виділенні із сечею, що спостерігається при захворюваннях нирок, зменшується осмотичний тиск крові, рідина виходить із судин у міжклітинний простір, розвиваються набряки. Зустрічається спадкова анальбумінемія, яка характеризується зниженим вмістом чи повною відсутністю альбуміну в плазмі й розвитком набряків.
Збільшення проникності ендотелію капілярів для білків плазми при ряді патологічних процесів (травми, опіки) призводить до переходу в міжклітинний простір великих об’ємів рідини, що містить альбумін. Якщо збільшення проникності капілярів настає швидко, то об’єм крові різко зменшується, падає кров’яний тиск, порушується мікроциркуляція, знижується постачання крові, розвивається тканинна гіпоксія. Такий стан називається шоком.
Друга важлива функція альбуміну – транспортна – зумовлена здатністю білка зв’язувати ряд речовин, погано розчинних у воді. Альбумін бере участь у перенесенні вільних жирних кислот із жирової тканини, білірубіну, стероїдних гормонів, іонів металів, а також багатьох лікарських речовин. Зв’язуються ці ліганди різними ділянками молекули альбуміну. Він зумовлює також детоксикуючу функцію крові.
Глобуліни
Електрофоретичними методами отримують фракції альфа1-, альфа2-, бета– і гама‑глобулінів. Кожна з фракцій включає велику кількість індивідуальних білків. 75-90 % альфа-глобулінів і 50% бета-глобулінів синтезуються гепатоцитами. Глобуліни альфа– і бета– є транспортними білками: ретинолзв’язаний білок переносить вітамін А, тироксинзв’язаний білок – тироксин, транскортин – переносник гормонів кортизолу і кортикостерону, церулоплазмін – іонів міді, трансферин – іонів заліза. Інгібіторами протеолітичних ферментів є альфа1-антитрипсин, альфа2-макроглобулін, інтер-альфа-трипсиновий інгібітор. Глобуліни гаптоглобіни і гемопексин попереджують втрату гемового заліза із сечею. Зокрема, гаптоглобіни (фракція альфа2-глобулінів) зв’язуються з розчиненим у плазмі гемоглобіном і комплекси їх захоплюються ретикулоендотеліальними клітинами, де розщеплюються. Аналогічно комплекс гемопексину (фракція бета-глобулінів) і гему захоплюється печінкою. Звільнене залізо використовується повторно. ЛПВГ або альфа – ЛП переміщуються під час електрофорезу разом із альфа-глобулінами; ЛПНГ або бета-ЛП – разом із бета-глобулінами; ЛПДНГ або пре – бета – ЛП – між альфа– і бета– ліпопротеїнами; хіломікрони не переміщуються в електричному полі й залишаються на місці старту.
Фракція гама-глобулінів містить, головним чином, антитіла (імуноглобуліни). Синтезуються імуноглобуліни В-лімфоцитами. Кількість індивідуальних імуноглобулінів, що відрізняються за первинною структурою, надзвичайно велика. Так, в організмі однієї людини може синтезуватись до 107 різних антитіл. До фракції імуноглобулінів відносяться і патологічні білки, які синтезуються при мієломній хворобі специфічними клітинами антитілоутворюючої системи і з’являються у великій кількості в плазмі хворих. Ці мієломні глобуліни є фрагментами імуноглобулінів і можуть фільтруватись у нирках та виділятись із сечею. Їх ще називають білком Бенс-Джонса. Його характерною властивістю є випадання в осад у кислому середовищі при 50-60 °С і повторне розчинення при вищій температурі.
У плазмі крові наявні різні ферменти, зокрема протеолітичні. За походженням вони бувають печінкові, шлунково-кишкові та тканинні. Протеїнази в плазмі крові відіграють роль факторів згортання крові, фібринолізу, кінінової системи, комплементу, ренін-ангіотензинової системи.
За патологічних станів у кров надходять протеази з тканин, так звані тканинні катепсини.
Протеїнази й антипротеїнази плазми крові
У плазмі крові відкрито приблизно 200 різних білків. Серед них особлива роль належить протеїназам і антипротеїназам. Як відомо, протеїнази викликають гідроліз пептидних зв’язків у молекулах білків і пептидів. За походженням вони бувають шлунково-кишкові, власне кров’яні та тканинні. Останні називаються ще катепсинами. До шлунково-кишкових відносяться: пепсин, гастриксин, трипсин, хімотрипсин, еластаза, ентеропептидаза, карбоксипептидази, амінопептидази, дипептидази. Усі вони беруть участь у травленні харчових білків. Певна їх кількість шляхом піноцитозу надходить у кров і там проявляє свою дію.
Внутрішньоклітинні протеїнази (катепсини), що локалізуються переважно в лізосомах, здійснюють внутрішньоклітинний розпад тканинних білків. Завдяки цьому вони виконують важливу регуляторну функцію: утворюють та інактивують ферменти, гормони, біологічно активні білки і пептиди. Оптимум дії катепсинів знаходиться в кислому середовищі (рН 5-6 і нижче). Ряд фізіологічних і патологічних станів супроводжується руйнуванням лізосомальних мембран і виходом катепсинів у цитозоль клітини. Як наслідок настає підвищення протеолітичної активності тканин. Катепсини беруть участь у патогенезі автоімунних захворювань і, можливо, утворюють автоантигени.
Ряд протеїназ крові відіграє роль факторів згортання крові, фібринолізу, а також кінінової та ренін-ангіотензинової систем. Зрозуміло, що дія цих ферментів мусить знаходитись під постійним контролем. У цьому плані велике значення мають їх інгібітори – антипротеази. Сироватка крові проявляє потужний антипротеазний вплив. Нормальний перебіг перерахованих вище протеолітичних процесів можливий тільки завдяки відрегульованому співвідношенню системи “протеаза-антипротеаза”. Зміни співвідношення між цими системами обов’язково викликають патологічні реакції. Загальна антипротеїназна активність сироватки крові визначається чотирма інгібіторами трипсину: альфа-1-антитрипсин, альфа-2-макроглобулін, інтер-альфа-інгібітор трипсину і термокислотостабільний інгібітор. За природою всі вони є глікопротеїнами, що містять до 20-35 % вуглеводів. В основі інгібуючої дії антипротеїназ знаходиться їх здатність утворювати стійкі комплекси з протеазами, внаслідок чого останні втрачають свою активність. Найбільший внесок в антипротеазну активність сироватки крові вносить альфа-1-антитрипсин (більше 90 %). Він інгібує дію трипсину, хімотрипсину, плазміну, калікреїну і еластази. Синтезується гепатоцитами й знаходиться, крім сироватки крові, в бронхіальному і назальному секретах, спинномозковій рідині й дуоденальному вмісті. На електрофореграмі сироватки крові альфа-1-антитрипсин розміщується у фракції альфа-1-глобулінів. Концентрація його в крові складає 2-4 г/л. Фізіологічне призначення альфа-1-антитрипсину зводиться до захисту організму від дії протеолітичних ферментів ендогенного й екзогенного походження, тобто від протеїназ крові, тканин, бактерій, грибків.
Альфа-2-макроглобулін є другим за значенням компонентом антипротеазної системи крові. Його частка в антипротеазній системі крові становить приблизно 10 %. Під час електрофорезу він мігрує разом з альфа-2-глобулінами. Вміст у сироватці крові складає 1,5-4,2 г/л. Альфа-2-макроглобулін здійснює регуляцію (знижує активність) згортальної, фібринолітичної і калікреїнової систем крові. Крім того, йому притаманна здатність розкладати низькомолекулярні токсичні пептиди бактеріального походження і тим самим захищати організм.
Інгібітором хімотрипсину є альфа-1-антихімотрипсин. У сироватці крові його вміст складає 0,1-0,35 г/л. До антипротеаз крові відноситься ще й антитромбін III, який відповідає на 75 % за антитромбінову активність сироватки крові. Він має здатність швидко зв’язуватись із трипсином і плазміном, що призводить до втрати їх протеолітичної активності. Вміст антитромбіну III в плазмі крові становить 0,3-0,4 г/л.
Підвищення активності протеїназ крові має значення для діагностики і лікування захворювань, пов’язаних із руйнуванням клітин і виходом у кров лізосомальних ферментів. Прикладом може служити гострий панкреатит, що супроводжується розпадом тканини та виходом у кров трипсину, який у нормі секретується у дванадцятипалу кишку. Збільшення вмісту трипсину в крові на тлі одночасного зниження активності альфа-2-макроглобуліну є небезпечним для організму, бо супроводжується активацією протеолізу, який призводить до пошкодження клітин і білків плазми крові, активації згортальної, фібринолітичної та кінінової систем. Одночасно спостерігається підвищення активності амілази і ліпази підшлункової залози. За таких ситуацій виникає необхідність термінового застосування інгібіторів протеаз – трасилолу і контрикалу.
Інфаркт міокарда викликає в сироватці крові підвищення активності лізосомальних протеаз, особливо катепсину D, рівень якого залежить від ступеня ураження. Збільшення активності протеаз у сироватці крові спостерігається при ревматизмі та інших колагенозах, при гострих запальних захворюваннях, опіковій хворобі, хірургічних втручаннях. Але в усіх цих випадках, що супроводжують деструкцію тканин, у сироватці крові зростає й активність антипротеаз. Винятком є хронічні неспецифічні захворювання легень, бронхіальна астма, опікова хвороба, при яких антипротеазна активність знижена. Спадкова недостатність альфа-1-антитрипсину супроводжує неспецифічні захворювання легень у дорослих і цироз печінки в дітей та юнаків. Із сказаного випливає доцільність визначення вмісту інгібіторів протеаз як критеріїв характеристики прогнозу різних захворювань та ефективності застосованої терапії. Про активність трипсину говорять на основі вивчення гідролізу трипсином казеїну з наступним осадженням білків і визначенням у безбілковому надосаді вмісту тирозину.
Антипротеазну активність визначають ензиматичними методами, що грунтуються на спектрофотометричному вимірюванні інгібуючого впливу сироватки крові на гідроліз трипсином синтетичних субстратів.
