Карбоксигемоглобин ( carboxyhaemoglobin BrE ) (символ COHb или HbCO ) представляет собой стабильный комплекс оксида углерода и гемоглобина (Hb), который образуется в эритроцитах при контакте с оксидом углерода. Карбоксигемоглобин часто ошибочно принимают за соединение, образованное комбинацией диоксида углерода ( карбоксила ) и гемоглобина, которое на самом деле является карбаминогемоглобином . Терминология карбоксигемоглобина возникла, когда оксид углерода был известен под своим историческим названием «углеродный оксид», и развивалась под влиянием германских и британских английских этимологий; предпочтительная номенклатура ИЮПАК — карбонилгемоглобин . [2] [3] [4]
Средний некурящий человек поддерживает системный уровень карбоксигемоглобина ниже 3% COHb, тогда как у курильщиков он приближается к 10% COHb. [4] Биологический порог толерантности к карбоксигемоглобину составляет 15% COHb, что означает, что токсичность постоянно наблюдается при уровнях, превышающих эту концентрацию. [5] Ранее FDA установило порог в 14% COHb в некоторых клинических испытаниях, оценивающих терапевтический потенциал окиси углерода. [6]
Средний эритроцит содержит 250 миллионов молекул гемоглобина . [7] Гемоглобин содержит единицу белка глобина с четырьмя простетическими гемовыми группами (отсюда и название гем -о- глобин ); каждый гем способен обратимо связываться с одной газообразной молекулой (кислородом, оксидом углерода, цианидом и т. д.), [8] поэтому типичный эритроцит может переносить до одного миллиарда молекул газа. Поскольку связывание оксида углерода с гемоглобином является обратимым, некоторые модели подсчитали, что 20% оксида углерода, переносимого в виде карбоксигемоглобина, может диссоциировать в отдаленных тканях. [7]
В биологии оксид углерода естественным образом вырабатывается посредством многих ферментативных и неферментативных путей. [7] Наиболее изученным путем является метаболизм гема гем - оксигеназой , который происходит во всем организме со значительной активностью в селезенке, способствуя расщеплению гемоглобина во время рециркуляции эритроцитов . Поэтому гем может как переносить оксид углерода в случае карбоксигемоглобина, так и подвергаться ферментативному катаболизму для образования оксида углерода.
В 1993 году окись углерода была охарактеризована как нейромедиатор, и с тех пор ее отнесли к подкатегории газомедиаторов . [4]
Большая часть эндогенно произведенного оксида углерода хранится в виде карбоксигемоглобина. Газ в основном подвергается легочной экскреции, однако следовые количества могут быть окислены до диоксида углерода некоторыми цитохромами , метаболизированы резидентной микробиотой или выведены путем трансдермальной диффузии. [4] [7]
По сравнению с кислородом, оксид углерода связывается с примерно в 240 раз большим сродством, [9] [4] однако сродство оксида углерода к гемоглобину варьируется как между видами, так и внутри одного вида. В 1950-х годах Эстер Киллик была среди первых, кто распознал разницу в сродстве оксида углерода между взрослой и эмбриональной кровью, а также разницу между людьми и овцами. [4] [10] [11] У людей мутация Hb-Kirklareli имеет относительное в 80 000 раз большее сродство к оксиду углерода, чем к кислороду, в результате чего системный карбоксигемоглобин достигает устойчивого уровня 16% COHb. [5] Были описаны и другие мутации у человека (см. также: варианты гемоглобина ). [12] [13] Структурные изменения и мутации в других гемопротеинах также влияют на взаимодействие оксида углерода с простетической группой гема, как показано на примере цитохрома P450, где определенные формы семейства CYP3A относительно меньше подвержены ингибирующему воздействию оксида углерода. [4]
Период полураспада COHb у видов Murinae составляет 20 минут по сравнению с 300 минутами у типичного человека (см. § Токсикокинетика). [4] В результате метаболическая кинетика, точка насыщения крови и толерантность к воздействию оксида углерода различаются у разных видов, что может привести к несоответствиям в данных, касающихся токсикологии отравления оксидом углерода и фармакологии низкодозовых терапевтических протоколов. [4]
Известно, что некоторые виды глубоководных морских млекопитающих содержат в крови концентрацию оксида углерода, которая напоминает уровни, наблюдаемые у хронических курильщиков сигарет, что может обеспечить преимущества против гипоксии. [14] Аналогичным образом, повышенные уровни у курильщиков, как предполагается, являются основой парадокса курильщика . [4] Длительное воздействие оксида углерода и повышенного карбоксигемоглобина, например, при курении, приводит к эритремии . [4] Кроме того, люди могут адаптироваться к токсичным уровням оксида углерода на основе результатов, сообщенных Эстер Киллик . [4]
Ярко-красный цвет лица обычно ассоциируется с повышенным уровнем карбоксигемоглобина. Следы эндогенного присутствия оксида углерода восходят к Марцеллу Донато около 1570 года, который отметил необычно красный цвет лица при проведении вскрытия жертв, умерших от угольных паров в Мантуе . [4] Аналогичные выводы, касающиеся красного цвета лица, появились позже, как было задокументировано Иоганном Якобом Вепфером в 1600-х годах и М. Антуаном Порталем в конце 1700-х годов. [4]
Теория флогистона является источником первых химических объяснений эндогенного карбоксигемоглобина, примером чего служат работы Джозефа Пристли в восемнадцатом веке, который предполагал, что флогистон представляет собой клеточный продукт жизнедеятельности, переносимый кровью животных, которая впоследствии выдыхается. [4]
Томас Беддоуз , Джеймс Уатт , Хэмфри Дэви , Джеймс Линд и многие другие исследовали терапевтический потенциал вдыхания искусственных воздухов в конце восемнадцатого века (см. также: Пневматический институт ). Среди газов, с которыми проводились эксперименты, значительное внимание привлек гидрокарбонат . Гидрокарбонат — это водяной газ, образующийся при пропускании пара над коксом , в процессе которого образуются оксид углерода и водород, и некоторые считали, что он содержит флогистон . Беддоуз и Уатт признали, что гидрокарбонат осветляет венозную кровь в 1793 году. Уатт предположил, что угольные пары могут действовать как противоядие от кислорода в крови, а Беддоуз и Уатт также предположили, что гидрокарбонат имеет большее сродство к животным волокнам, чем к кислороду в 1796 году. [4]
После открытия оксида углерода Уильямом Крукшенком в 1800 году Иоганн Дёмлинг (1803) и Джон Босток (1804) разработали гипотезы, предполагающие, что кровь возвращается в сердце, нагруженная оксидом углерода, чтобы впоследствии окислиться до углекислого газа в легких перед выдохом. [4] Позже, в 1854 году, Адриен Шено аналогичным образом предположил, что оксид углерода может удалять кислород из крови и окисляться в организме до углекислого газа. [4] Механизм отравления оксидом углерода в контексте образования карбоксигемоглобина широко приписывается Клоду Бернару, чьи мемуары, начатые в 1846 году и опубликованные в 1857 году, в частности, содержали примечательную фразу: «предотвращает превращение артериальной крови в венозную». [4] Феликс Хоппе-Зейлер независимо опубликовал аналогичные выводы в следующем году.
Первый аналитический метод определения карбоксигемоглобина появился в 1858 году, когда Феликс Хоппе-Зейлер разработал колориметрический метод , а первый количественный метод анализа появился в 1880 году благодаря Йозефу фон Фодору . [4]
Углерод происходит от латинского термина carbo , означающего уголь, через французское charbone , которое впервые появилось в печати в 1786 году. [15] Этимология слова кислород, как правило, означает «кислота», основываясь на системе Лавуазье, которая также признавала углерод неметаллическим элементом, способным к окислению, хотя первоначальные степени оксидов основывались на алмазе, графите, угле и угольной кислоте (CO2 ) как наиболее окисленной форме; [15] Система Лавуазье была заменена другими устаревшими системами номенклатуры оксидов. [16]
Открыв оксид углерода в ходе серии экспериментов, полученных из кокса (сокращение от «угольный пирог » [15] ), Круикшанк назвал новую молекулу «газообразным оксидом углерода», который превратился в «углеродный оксид» и был переведен на немецкий язык как «kohlenoxyd». Kohlen — немецкое слово, обозначающее уголь. [4] [17] Поскольку угольная кислота (CO 2 ) считалась наиболее окисленной формой в системе Лавуазье, название «углеродный оксид» подразумевало промежуточную окисленную разновидность между углем и угольной кислотой (т. е. использование слова «кислота» указывало на максимальную степень окисления).
Haem происходит от греческого слова, означающего кровь, [18] [19], а globin — от латинского слова, происходящего от globus, которое обычно принято обозначать шар/сферический/круглый объект; термины соединяются с помощью -o- . Что касается haem, использование "ae / æ" остается распространенным в британском английском в наши дни [20], тогда как написание американского английского языка эволюционировало в heme от hema. [19]
Феликс Хоппе-Зейлер ввел название «гемоглобин» в 1864 году. [21] В немецком языке умляут, такой как ä, является синонимом написания как «ae», поэтому в немецкой литературе слово hämoglobin обычно пишется как haemoglobin, отсюда и термин haemoglobin, принятый в английской литературе.
Хоппе-Сейлер также придумал название Kohlenoxydhämoglobin [22], которое, возможно, было напрямую переведено на английский язык как «углеродный оксид гемоглобин». [23] Термин карбоксигемоглобин появился еще в 1895 году в работах Джона Холдейна, в то время как название CO все еще широко считалось углеродным оксидом. [24]
Термин «угарный газ» был официально введен в 1879 году, но это название не стало общепринятым в течение нескольких десятилетий. [4] Затем последовали вариации терминологии COHb, такие как карбоксигемоглобин [25] [11], которые в конечном итоге эволюционировали и упростились обратно в «карбоксигемоглобин».
Поскольку карбокси в настоящее время прочно ассоциируется с карбоксильной группой CO2 , а оксид углерода обычно рассматривается как карбонил , ИЮПАК рекомендовал «карбонилгемоглобин» в качестве предпочтительной номенклатуры COHb. [ 4] Несмотря на рекомендации ИЮПАК, карбоксигемоглобин остается наиболее широко используемым термином (сродни выживанию номенклатуры бикарбоната ).
Исторически карбоксигемоглобин обнаруживался с помощью колориметрического анализа , химической реактивности, спектрофотометрии , газометрических и термоэлектрических методов обнаружения. [4] Газохроматографический анализ появился в 1961 году и остается широко используемым методом. [4]
Современные методы включают пульсовую оксиметрию с CO-оксиметром и множество других аналитических методов. [26] [27] Большинство методов требуют лабораторного оборудования, квалифицированных специалистов или дорогостоящей электроники, поэтому быстрые и экономичные технологии обнаружения все еще находятся в стадии разработки.
Еще одним методом обнаружения является определение содержания оксида углерода в выдыхаемом воздухе , которое может коррелировать с уровнем карбоксигемоглобина. [28]
Отравление угарным газом, также известное как карбоксигемоглобинемия, [29] [30] преследует человечество с тех пор, как первобытные предки впервые освоили огонь. В наше время данные о карбоксигемоглобине помогают врачам ставить диагноз отравления. Однако уровни карбоксигемоглобина не обязательно коррелируют с симптомами отравления угарным газом. [31] В целом, 30% COHb считается тяжелым отравлением угарным газом. [4] Самый высокий зарегистрированный уровень карбоксигемоглобина без летального исхода составил 73% COHb. [4]
Газообмен является важным процессом для многих организмов для поддержания гомеостаза. Кислород составляет около 20% атмосферного воздуха Земли . В то время как вдыхание воздуха имеет решающее значение для снабжения клеток кислородом для аэробного дыхания через эффект Бора и эффект Холдейна (и, возможно, локальное низкое парциальное давление кислорода, например, активные мышцы), [32] выдыхание клеточного продукта отходов углекислого газа, возможно, является более важным аспектом дыхания. В то время как организм может переносить кратковременные периоды гипоксии (что обычно происходит при анаэробных упражнениях , хотя мозг, сердце, печень и почки значительно менее толерантны, чем скелетные мышцы), неспособность выводить углекислый газ может вызвать респираторный ацидоз (то есть жидкости организма и кровь становятся слишком кислыми, тем самым влияя на гомеостаз). [33] При отсутствии кислорода клетки переключаются на анаэробное дыхание , которое при длительном потреблении может значительно увеличить молочную кислоту, что приводит к метаболическому ацидозу . [34]
Чтобы предоставить упрощенный синопсис молекулярного механизма системного газообмена, при вдыхании воздуха широко считалось, что связывание кислорода с любым из участков гема запускает конформационное изменение в белковой единице гемоглобина, которое затем позволяет связывать дополнительный кислород с каждым из других участков гема. По прибытии в клеточную область кислород высвобождается в ткани из-за конформационного изменения гемоглобина, вызванного ионизацией поверхности гемоглобина из-за «подкисления» локального pH ткани (что означает относительно более высокую концентрацию «кислых» протонов / ионов водорода, аннотируемых как H + ; кислый pH обычно называют либо низким pH на основе кислотности pH 1-7, имеющей низкое число, либо, называемым высоким pH из-за высокой концентрации ионов H + по мере того, как шкала приближается к pH 1); локальная кислотность вызвана увеличением биотрансформации отходов диоксида углерода в угольную кислоту через карбоангидразу . Другими словами, оксигенированная артериальная кровь поступает в клетки в « R-состоянии гемоглобина », которое имеет депротонированные/неионизированные аминокислотные остатки (относительно аминов гемоглобина, переходящих из депротонированного/неионизированного состояния Hb-NH2 в протонированное/ионизированное состояние Hb-NH3 + ) на основе менее кислого pH (артериальная кровь в среднем имеет pH 7,407, тогда как венозная кровь немного более кислая при pH 7,371 [35] ). «T-состояние» гемоглобина частично дезоксигенируется в венозной крови из-за протонирования/ионизации, вызванных кислой средой, следовательно, вызывая конформацию, не подходящую для связывания кислорода [36] (т.е. кислород «выбрасывается» по прибытии в клетку из-за ионов H + , бомбардирующих поверхностные остатки гемоглобина для преобразования Hb из «R-состояния» в «T-состояние»). Кроме того, механизм образования карбаминогемоглобина генерирует дополнительные ионы H + , которые могут дополнительно стабилизировать протонированный/ионизированный дезоксигенированный гемоглобин. После возвращения венозной крови в легкие и последующего выдыхания углекислого газа кровь «деацидифицируется» (см. также: гипервентиляция ) для депротонирования/унионизации гемоглобина, чтобы снова включить связывание кислорода как часть перехода в артериальную кровь (обратите внимание, что этот процесс сложен из-за участия хеморецепторов, буферы pH и другие физико-химические функции). Отравление угарным газом нарушает этот физиологический процесс, поэтому венозная кровь отравленных пациентов имеет ярко-красный цвет, похожий на артериальную кровь, поскольку карбонил/угарный газ удерживается, тогда как дезоксигенированный гемоглобин имеет темно-красный цвет, а карбаминогемоглобин имеет синий оттенок. [13]
При токсических концентрациях оксид углерода в виде карбоксигемоглобина существенно влияет на дыхание и газообмен, одновременно подавляя получение и доставку кислорода к клеткам и предотвращая образование карбаминогемоглобина , на долю которого приходится около 30% экспорта углекислого газа. [37] Поэтому пациент, страдающий от отравления оксидом углерода, может испытывать тяжелую гипоксию и ацидоз в дополнение к токсичности избыточного связывания оксида углерода с многочисленными гемопротеинами, металлическими и неметаллическими мишенями, которые влияют на клеточные механизмы (например, ингибирование цитохром с оксидазы ). [7] [38]
В обычном воздухе при нормальных атмосферных условиях период полураспада карбоксигемоглобина типичного пациента составляет около 300 минут. [4] Это время может быть сокращено до 90 минут при введении чистого кислорода с высокой скоростью потока, и время еще больше сокращается при введении кислорода с 5% углекислого газа, как впервые было обнаружено Эстер Киллик . [4] Кроме того, лечение в гипербарической камере является более эффективным способом сокращения периода полураспада карбоксигемоглобина до 30 минут [4] и позволяет кислороду растворяться в биологических жидкостях для доставки в ткани. [ необходима ссылка ]
Дополнительный кислород использует принцип Ле Шателье для ускорения распада карбоксигемоглобина обратно в гемоглобин: [39]
Поскольку теперь стало известно, что оксид углерода обладает терапевтическим потенциалом, фармацевтические усилия были сосредоточены на разработке молекул, высвобождающих оксид углерода , и селективных индукторов гем-оксигеназы . [40]
Альтернативный метод доставки лекарств состоит из оксида углерода, иммобилизованного на бычьем карбоксигемоглобине, связанном с полиэтиленгликолем (ПЭГ), который в настоящее время находится на поздней стадии клинической разработки. Аналогично, малеимидный ПЭГ-конъюгированный человеческий карбоксигемоглобин ранее был предметом фармацевтической разработки. [41]