Молекулярні механізми підтримання гомеостазу крові
Кров відіграє значну роль у підтриманні кислотно-лужного гомеостазу, тобто певного співвідношення між концентраціями Гідроген- та гідроксильних йонів у біологічних рідинах. Стала концентрація йонів Гідрогену є необхідною умовою життя організму. Реакція нормальної крові є слабколужною. рН артеріальної крові 7,4, венозної – 7,35, еритроцитів – 7,2. Фізіологічні коливання рН відбуваються в межах 0,05-0,07. Зміна рН крові може призвести до важких ускладнень. Зменшення рН крові людини від 7,36 до 6,8 може призвести до загибелі.
Регуляція кислотно-лужного балансу в організмі здійснюється за участю буферних систем крові та функціонування легенів та нирок. Стабільність рН крові підтримується буферними системами крові (гемоглобіновою, гідрокарбонатною, фосфатною) та білками плазми крові.
Гемоглобінова буферна система складається з окси- і дезоксигемоглобіну. Це найефективніша буферна система крові (в 9 разів ефективніша за гідрокарбонатну), складає 75% всієї буферної ємності крові.
Гемоглобін містить залишки амінокислот (гістидину), які можуть зв’язувати та вивільняти йони Н+. Константа дисоціації іоногенних груп гемоглобіну змінюється залежно від його насичення киснем. Оксигемоглобін є сильною кислотою, а дезоксигемоглобін – дуже слабкою. При рН, що дорівнює значенню рН крові, оксигемоглобін знаходиться у формі основи HbO2-, а дезоксигемоглобін – у кислій формі Hb-.
Буферна дія гемоглобіну поєднана з транспортом О2 і СО2. В капілярах тканин підвищена концентрація Н+, викликана дифузією і гідратацією СО2, нейтралізується завдяки утворенню кислої форми дезоксигемоглобіну:
СО2 + Н2О 
Н2СО3 Н+ + НСО3-
Н+ + Hb- HHb або
H+ + HbO2- → HHbO2 → HHb + O2
Процес не завжди повʼязаний із звільненням кисню, але здійснюється швидше і ефективніше компенсує зміну рН, якщо одночасно відбувається оксигенація.
У капілярах легень оксигемоглобін витісняє з гідрокарбонатів карбонатну кислоту, яка розпадається на СО2 і Н2О. Таким чином гемоглобін попереджує підлужування крові після звільнення з неї Н2СО3:
О2 + НHb → HHbO2
НСО3- + HHbO2 → HbO2- + Н2СО3
Н2СО3 → Н2О + СО2
Гідрокарбонатна буферна система (НСО3-/Н2СО3) ефективна при рН близько 7,4. Карбонатна кислота виконує функцію донора протона, а гідрокарбонат-іон НСО3- − акцептора протона. Концентрація недисоційованих молекул Н2СО3 в крові незначна і залежить від концентрації розчиненого СО2, а остання – від парціального тиску СО2 в альвеолярній газовій суміші.
При рН крові 7,4 відношення концентрації НСО3-/Н2СО3 становить 20:1. При підвищенні в організмі вмісту кислих продуктів йони Н+ взаємодіють з натрій гідрокарбонатом, в результаті чого утворюється натрієва сіль відповідної кислоти і збільшується кількість карбонатної кислоти:
Na+ + HCO3- + H+ + X- → NaX + H2CO3, де Х- − аніон кислоти.
Карбонатна кислота розпадається під впливом карбоангідрази до СО2 і Н2О. СО2 виводиться з організму через легені. Це зумовлює повернення НСО3-/Н2СО3 до норми (20:1) і відновлення рН до 7,4. Коли в плазму крові надходять лужні продукти і значення рН зростає, ОН- взаємодіють із карбонатною кислотою, яка переходить у гідрокарбонат-іон НСО3-, проходить реакція: Na+ + НСО3- → NaНCО3-.
Гідрокарбонатна буферна система функціонує спільно з гемоглобіновою. Між обома системами встановлюється рівновага і вони спільно забезпечують підримання сталості рН крові.
Фосфатна буферна система складається з йонів Н2РО4- і НРО42- і функціонує в межах рН 6,1-7,7. Значення її для крові незначне, оскільки вміст фосфатів у крові малий. Важливу роль вона відіграє в підтриманні сталості рН внутрішньоклітинної рідини, що знаходиться в межах 6,9-7,4.
При збільшенні кількості кислот, наприклад у ниркових капілярах, дигідрогенфосфат реагує з ними, в результаті чого утворюється гідрогенфосфат, надлишок якого виділяється із сечею. Кисла реакція сечі зумовлена переважно гідрогенфосфатами:
2 Na+ + НРО42- + НХ → NаХ + NаН2РО4
При збільшенні кількості основ вони реагують з гідроген фосфатами, або первинними фосфатами, в результаті чого утворюються дигідрогенфосфати:
2 Na+ + Na2РО4- + Na+ + ОН- → Н2О + 2 Nа+ + НРО42-
Між неорганічними буферними системами існує певний звʼязок і динамічна рівновага. Зокрема, фосфатна буферна система може збільшувати резерви гідрокарбонатної в результаті реакції між дигідрогенфосфатом і карбонатною кислотою. При цьому утворюється гідрогенфосфат, який виділяється із сечею, і відновлюється натрію гідрокарбонат:
2 Na+ + НРО42- + Н2СО3 → NаНСО3 + Nа+ + Н2РО4-
Білки плазми крові проявляють буферну дію завдяки наявності іоногенних залишків амінокислот. Вклад їх у буферну ємність крові незначний. Білкова буферна система плазми крові найбільш ефективно функціонує в діапазоні рН 7,2-7,4.
Буферні системи складають першу лінію захисту від зміни рН. Додаткові можливості забезпечує діяльність легень і нирок, які усувають з організму СО2, кислі та лужні продукти. Наприклад, при зниженні рН дихання стимулюється, що призводить до виведення з організму надлишку СО2 і навпаки, при підвищенні рН частота дихання знижується для зменшення виділення СО2 легенями. Частота і глибина дихання регулюються дихальним центром, який чутливий до рН і рСО2 позаклітинної рідини. Нирки при зниженні рН крові виділяють із сечею NаН2РО4, солі амонію (NH4+), слабкі кислоти в недисоційованій формі. При підвищенні рН крові нирки збільшують виведення Nа2НРО4, NаНСО3. Якщо буферні системи та механізми дихальної і ниркової регуляції рН не компенсують відхилень за межі фізіологічної норми, настають порушення кислотно-основної рівноваги – ацидоз або алкалоз. Залежно від механізмів розвитку порушень розрізняють дихальний чи метаболічний алкалоз або ацидоз. При гіпервентиляції легень знижується концентрація Н2СО3 в організмі (гіпокапнія), підвищується рН крові – виникає дихальний алкалоз. Для компенсації нирки виділяють лужну сечу. Гіповентиляція легень зумовлює збільшення вмісту СО2 в крові (гіперкапнія), зниження рН, підвищене виведення із сечею кислих продуктів – настає дихальний ацидоз.
Метаболічний ацидоз виникає при значному збільшенні вмісту в крові кетонових тіл, молочної кислоти. У крові знижується концентрація НСО3- і Н2СО3, зростає виведення із сечею кислих продуктів і солей амонію.
Згортання крові
Згортання крові (коагуляція) – це фізіолого-біохімічний процес, завдяки якому кров втрачає текучість і утворює тромби. Це захисна реакція організму, яка запобігає крововтратам при порушенні цілісності кровоносних судин.
Створення першої наукової теорії згортання крові належить професору Тартуського університету О. Шмідту (1872 р.). Вчений показав, що кров згортається в результаті перетворення фібриногену на фібрин. Цей процес відбувається при дії ферменту тромбіну. Утворення активного тромбіну відбувається із неактивної форми – протромбіну, який синтезується в печінці в присутності вітамінів групи К (К1 – філохінон, К2 – фарнохінон).
В процесі згортання крові приймають участь стінки судин, плазмові фактори згортання крові, всі клітини крові, особливо тромбоцити.
За міжнародною номенклатурою плазмові фактори згортання крові позначаються римськими цифрами переважно за порядком відкриття, а їх активні форми – додаючи до відповідної цифри літеру «а».
Плазмові фактори згортання крові:
Фактор І − фібриноген– фібрилярний білок з молекулярною масою 400000. Вміст в плазмі крові − 0,35-0,40%. Фібриноген синтезується в печінці, складається з трьох пар поліпептидних ланцюгів, які зв’язані між собою дисульфідними зв’язками. Під впливом ферменту тромбіну від фібриногену відщеплюються два поліпептидні ланцюги – А і В. При цьому звільняються активні центри в його молекулі і утворюється фібрин-мономер. При з’єднанні кількох таких мономерів утворюється фібрин-полімер, на який осідають форменні елементи крові (в основному еритроцити).
Фактор ІІ − протромбін– неактивна форма ферменту тромбіну (профермент або зимоген). Це кальційзалежний глікопротеїд, містить приблизно 5% вуглеводів. Синтезується в печінці при наявності вітаміну К.
Перетворюється на тромбін під впливом тромбопластину (тромбокінази). Крім перетворення фібриногену на фібрин, фермент ущільнює (здійснює рефракцію) кров’яного згустку.
Фактор II а − тромбін – активний фермент. За хімічною будовою є складним білком глікопротеїдної природи. Молекулярна маса 40 тис. Молекула білку складається з двох поліпептидних ланцюгів – А і В. А-ланцюг містить 49 залишків амінокислот, а В-ланцюг – 265. Стабілізується структура молекули за допомогою міжланцюгових дисульфідних зв’язків. Виділяється тромбін у вигляді неактивного попередника (протромбіну) і перетворюється на активну форму внаслідок часткового протеолізу.
Тромбін забезпечує перетворення фібриногену на фібрин та активує фактори згортання крові, стимулює агрегацію тромбоцитів та утворення кров’яного згустку, а також його рефракцію (ущільнення). Перетворення протромбіну в тромбін відбувається в присутності йонів Са2+ і при рН 7,2-7,9.
Фактор III − тромбопластин– білково-ліпідний комплекс, важливий компонент системи згортання крові. Молекулярна маса 43 тис. У вигляді простетичної групи містить фосфоліпіди. Локалізується в мембранних структурах ендотеліальних клітин та клітин гладенької мускулатури. Бере участь в активації процесів згортання крові. Під його впливом протромбін перетворюється в тромбін.
Розрізняють дві форми тромбопластину:
− тканинний – виділяється зразу в активному вигляді;
− тромбоцитарний − активується йонами Са2+ і конвертину при порушенні цілісності судин.
Фактор ІV – йони Са2+ − забезпечують оптимальну взаємодію та орієнтацію ензимів згортання в розчиненому стані на поверхні Ф-ІІІ.
Фактор V − проакцелерин − є попередником акцелерину.
Фактор VІ – акцелерин – білок плазми глобулінової природи, прискорює перетворення протромбіну на тромбін.
Фактор VІІ – проконвертин – кальційзалежний білок, за наявності йонів Са2+ активує Ф-Х.
Фактор VІІІ – антигемофільний глобулін А – глюкопротеїд, молекула якого включає дві субодиниці:
− VІІІ-К – носій коагуляційних властивостей, за участі йонів Са2+ та фосфоліпідів активує Ф-Х;
− VІІІ-ФВ (фактор Віллебранда або фактор агрегації) − носій агрегаційної активності.
Фактор ІХ – антигемофільний глобулін В або фактор Крістмаса – кальційзалежний глюкопротеїд, активатор Ф-VІІІ.
Фактор Х – фактор Стюарта-Прауера – в активній формі (Ха) каталізує перетворення протромбіну на тромбін. Синтезується у печінці, вітамін К-залежний.
Фактор ХІ – антигемофільний фактор або фактор Розенталя − глікопротеїд, плазмовий попередник тромбопластину, активатор Ф-ІХ.
Фактор ХІІ – фактор Хагемана – ініціатор згортання − одноланцюговий пептид при активації якого запускається процес згортання.
Фактор ХІІІ – транспептидаза або фібринстабілізувальний фактор – білок плазми, який каталізує утворення ковалентних зв’язків між мономерами фібрину і таким чином стабілізує кровʼяний згусток.
Із фізіологічної точки зору розрізняють судинно-тромбоцитарний та коагуляційний гемостаз.
Судинно-тромбоцитарний гемостаз (мікроциркуляторний) − є первинною реакцією на пошкодження судин мікроциркуляторного русла (забезпечується судинною стінкою та тромбоцитами). Активізується на початкових етапах зупинки кровотечі в зоні дрібних судин з малим тиском крові і включає в себе:
− рефлекторний спазм судин, який буває коротчасним (зменшення просвіту дрібних судин) або тривалим (пролонгованим), що підтримується дією адреналіну, норадреналіну, серотоніну;
− адгезію тромбоцитів у зоні ушкодження;
− агрегацію тромбоцитів, наслідком якої є утворення тромбоцитарного тромбу. Агрегація тромбоцитів відбувається у дві стадії: фаза оборотної агрегації (стимулюється АДФ); фаза необоротної агрегації (індукторами є тромбін, колаген, Са2+);
− ретракцію тромбоцитарного згустку – за рахунок тромбостеніну згусток зменшується і ущільнюється.
У результаті утворюється щільний корок і кровотеча припиняється. Всі процеси відбуваються швидко, тому кровотеча із невеликих ран зупиняється впродовж кількох хвилин.
Коагуляційний (вторинний) гемостаз – є основним типом гемостазу при кровотечах і реалізується складним ферментативним механізмом загортальної системи. Забезпечує утворення фібринового згустка, який іммобілізує форменні елементи та утворює тромб. Основою утворення тромбу є перехід розчинного фібриногену (Ф-І) в нерозчинний фібрин з формуванням сітки, в якій запутуються форменні елементи крові. Фібрин утворюється під дією тромбіну, який в крові міститься у вигляді неактивного попередника − протромбіну (Ф-ІІ). Протромбін активується ферментом протромбіназою.
Коагуляційний гемостаз умовно поділяють на три фази:
І фаза – утворення складного комплексу – протромбінази. У процесі утворення протромбінази виділяють два механізми: зовнішній (триває 20 с) і внутрішній (триває 5-8 хв).
Зовнішній (тканинний) механізм ініціюється тканинним тромбопластином (Ф-ІІІ), який виділяється в плазму крові з ушкоджених тканин, стінок судин. Тканинний тромбопластин активує фактор VІІ (Ф- VІІа) та утворює з Са2+ потужний ферментний комплекс, який, в свою чергу, активує фактор Х (Ф-Ха).
Внутрішній (внутрішньосудинний) механізм є більш складним. Пусковим механізмом є фактор Хагемана (Ф-ХІІ), активація якого здійснюється внаслідок контакту з штучною поверхнею або із субендотелієм (контактна активація з утворенням фактора ХІІа) і в результаті його ферментативного розщеплення протеазами (ферментативна активація з утворенням активного фрагменту фактора ХІІ (ХІІf)). Фактор ХІІа впливає на процес згортання крові, а фактор ХІІf активує калікреїн-кінінову систему та фібриноліз.
Процес згортання розпочинається взаємною активацією фактора ХІІ і калікреїну в комплексі Ф-ХІІ−прекалікреїн−високомолекулярний кініноген (ВМК) з подальшою активацією Ф-ХІ у комплексі факторів ХІІа−ХІ−ВМК.
Ф-ХІ за участю йонів Са2+ активує перетворення Ф-ІХ на Ф-ІХа. Ф-ІХа за участю Ф-VІІІ, йонів Са2+, тромбопластину каталізує активацію Ф-Х (Ф-Ха).
І фаза згортання закінчується формуванням протромбінази – комплексу Ха−Vа−Са2+ (Ф-V активується тромбіном).
Надалі процес згортання проходить спільним шляхом.
ІІ фаза – утворення тромбіну (триває 3-7 с). Протромбіназа сприяє перетворенню протромбіну (Ф-ІІ) на тромбін (Ф-ІІа). Тромбін є ключовим ферментом системи згортання, він перетворює фібриноген на фібрин, активує Ф-V і Ф-VІІІ, фібриноліз і тромбоцити.
ІІІ фаза – перетворення фібриногену на фібрин (триває 3-7 с). Утворення фібрину відбувається під дією тромбіну шляхом відщеплення від молекули фібриногену коротких пептидів. Фібриноген – це високомолекулярний пептид, побудований з поліпептидних ланцюгів 2α, 2β, 2γ. Спочатку від ланцюгів α від’єднуються фібринопептиди А, від ланцюгів β – фібринопептиди В. Одночасно тромбін активує Ф-ХІІІ, який за наявності йонів Са2+ каталізує сполучення між собою фібрин-мономерів та утворення нерозчинного фібрину-полімеру волокнисто-сітчастої структури – тромбу.
Після утворення фібринового згустка настає посткоагуляційна фаза (триває 10-15 хв) – формування кінцевого тромбу з його ретракцією (ущільнення і видалення з тромбу сироватки) за участю тромбостеніну.
Всі фактори, які сприяють згортанню крові, називають коагулярними.
Існують антикоагулянти – речовини, які перешкоджають згортанню крові або сповільнюють його. Особливо важливими є фізіологічні антикоагулянти, які поділяються на первинні – природно існують в організмі та вторинні – виникають у процесі згортання крові або під час фібринолізу.
Первинні антикоагулянти:
− антитромбін ІІІ (АТ ІІІ) − забезпечує 75% усієї антикоагулянтної активності плазми, належить до α2-глобулінової фракції білків плазми крові, синтезується у печінці та ендотелії. Інгібує майже всі майже всі ферментні фактори згортання: ІІа, Ха, ІХа, ХІа, ХІІа. Є основним плазмовим кофактором гепарину та слабким інгібітором плазміну і калікреїну. АТ ІІІ звʼязує тромбін у співвідношенні 1:1, але його активність залежить від наявності гепарину, оскільки повноцінна фізіологічна дія зумовлена утворенням комплексу АТ ІІІ-гепарин;
− гепарин (від грец. hepar – печінка). Синтезується тканинними базофілами печінки, легень. За хімічною будовою – мукополісахарид. Молекулярна маса 15-20 тис. Зв’язується з антитромбіном, внаслідок чого посилюється гальмуючий вплив його на тромбін та інші протеази, які беруть участь у процесах згортання крові;
− протеїн С – вітамін К-залежний профермент, що активується тромбіном. Після активації розщеплює та інактивує Ф-V та Ф-VІІІ;
− α2-макроглобулін − забезпечує до 25% антитромбінової активності плазми крові, належить до α2-глобулінової фракції плазми крові. Є інгібітором протеїназ із широкою субстратною специфічністю, а також інгібітором тромбіну;
− α1-антитрипсин – належить до α1-глобулінової фракції плазми крові. Є інгібітором багатьох серинових протеїназ, зокрема, тромбіну, Ф-Ха, Ф-ХІа.
Вторинні антикоагулянти:
− фібрин (антитромбін І) – адсорбує та інактивує утворений при згортанні крові тромбін;
− тромбін – ферментативно відщеплює від протромбіну інгібітор Ф-Ха;
− продукти ферментативного розщеплення фібрину плазміном – є інгібіторами агрегації тромбоцитів та утворення фібрину.