ДЫХАНИЕ — совершенно естественный процесс, поэтому большинство из нас редко задумываются о том, как он осуществляется. Однако дыхание не могло бы поддерживать жизнь, не будь в нашем организме молекул гемоглобина.
Благодаря гемоглобину кислород доставляется от легких ко всем тканям и органам нашего организма. Без гемоглобина мы бы практически сразу погибли.
Как молекуле гемоглобина удается вовремя «подхватить» крошечную молекулу кислорода, удерживать ее ровно столько, сколько нужно, а затем в определенное время высвободить? Секрет кроется в слаженной работе удивительных микроскопических механизмов.
Миниатюрные «такси»
Можно представить, что каждая молекула гемоглобина — это крошечное такси, в котором четыре двери и ровно четыре пассажирских места. Водитель такому такси не требуется, поскольку оно размещается внутри эритроцита, который его и везет. Каждый отдельный эритроцит напоминает багажный контейнер, наполненный молекулами гемоглобина.
Путешествие молекулы гемоглобина начинается с того момента, когда эритроциты «подъезжают» к легочным альвеолам — своего рода аэропорту. С каждым вдохом в наш организм прибывает множество крошечных молекул кислорода, которые тут же пытаются поймать «такси». Очень скоро молекулы кислорода распределяются по «контейнерам» — эритроцитам. Однако внутри эритроцита двери всех «такси» пока остаются закрытыми. Несмотря на это, одна решительная молекула кислорода бойко прорывается вперед и занимает место в гемоглобиновом «такси».
В этот момент происходит нечто совершенно удивительное: находящиеся в эритроците молекулы гемоглобина начинают видоизменяться. И когда внутрь «такси» проникают первые «пассажиры», все «двери» открываются автоматически. Теперь оставшиеся «пассажиры» уже легко могут занять свои места. Этот процесс, называемый кооперативностью, протекает настолько быстро, что, когда человек делает один вдох, 95 процентов мест во всех гемоглобиновых «такси» оказываются занятыми.
В одном эритроците содержится более 250 миллионов молекул гемоглобина, которые способны транспортировать около миллиарда молекул кислорода! Так, эритроциты, наполненные крошечными «такси», отправляются в путь, везя свой ценный груз — кислород — к тканям и органам нашего организма. Но возникает вопрос: что же удерживает атомы кислорода внутри эритроцита и не дает им покинуть «такси» раньше времени?
Дело в том, что молекулы кислорода соединяются в молекулах гемоглобина с атомами железа. Как известно, соединение кислорода с железом в присутствии воды приводит к образованию оксида железа, или ржавчины. И кислород в процессе окисления железа оказывается навсегда «запертым» в кристалл. В молекуле гемоглобина процесс связывания кислорода и его последующее высвобождение происходят в водной среде, но ржавчина при этом не образуется. Почему?
Оригинальный механизм
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим молекулу гемоглобина поближе. Она состоит примерно из 10000 атомов водорода, углерода, азота, серы и кислорода, собравшихся вокруг четырех атомов железа. Для чего атомам железа понадобилась такая мощная поддержка?
Во-первых, четыре атома железа, несут в себе электрический заряд. Заряженные атомы называются ионами, и без должного контроля, высвободившись, они могут причинить клетке немало вреда. Чтобы этого не произошло, каждый ион железа надежно изолирован неким жестким «диском». Этот диск представляет собой отдельную молекулу, которая называется гем. Она является небелковой частью гемоглобина. Все четыре диска «встроены» в молекулу гемоглобина таким образом, чтобы молекулы кислорода без труда проникали к ионам железа, а молекулы воды не могли этого делать. Без воды же кристаллы ржавчины не образуются.
Сами по себе атомы железа не способны связывать или высвобождать кислород. В то же время без них молекулы гемоглобина не могли бы осуществлять транспортировку кислорода посредством крови. Это возможно только благодаря тому, что в каждую молекулу гемоглобина «идеально встроены» четыре иона железа.
«Высадка» кислорода
Покинув артерию, эритроциты попадают в мельчайшие капилляры, которыми пронизаны ткани нашего тела, и оказываются в совершенно иной среде. Здесь теплее, чем в легких, меньше кислорода, а кислотность, благодаря углекислому газу, выше. Все это сигнализирует молекулам гемоглобина о том, что пора высадить «пассажиров» — молекулы кислорода.
Когда все «пассажиры» наконец вышли, «такси» — молекулы гемоглобина — снова видоизменяются. Молекулы кислорода доставлены туда, где они больше всего нужны, и «двери» в «такси» снова закрываются. Теперь никакие «заблудившиеся» атомы кислорода уже не могут проникнуть в «такси», которые отправляются назад, к легким. Однако на обратном пути «такси» должны забрать других «пассажиров» — молекулы углекислого газа.
Вскоре расставшиеся с кислородом эритроциты опять попадают в легкие. Там молекулы гемоглобина «высаживают» углекислый газ и вновь забирают жизненно необходимый нашему организму кислород. На протяжении жизни каждого эритроцита, составляющей в среднем 120 дней, этот цикл повторяется тысячи раз.