Воздух представляет собой естественную смесь газов, образующую атмосферу Земли. Основными компонентами сухого воздуха являются азот (N₂) — около 78,08% по объему, кислород (O₂) — около 20,95%, аргон (Ar) — 0,93% и углекислый газ (CO₂) — около 0,03–0,04%.
Также в воздухе присутствуют инертные газы (неон, гелий, криптон), водяной пар, водород, метан и один зловредный газ, о котором пойдет речь ниже.
В атмосфере и, соответственно, в нашей крови есть нерукопожатная молекула. Как и кислород она попадает через легкие при вдохе. Ее важно знать в лицо! Вашему вниманию представляется... — угарный газ (молекула CO из курса школьной химии). Та-дам...
Молекула юркая маленькая, элегантная, с идеальной геометрией… и с абсолютно токсичным характером.
CO образуется при горении угля, древесины или любой другой органики в условиях недостатка кислорода (воздуха). По этой причине в каждой печи на Руси всегда делали дымоход и заслонку — и относились к ним как к элементам безопасности, а не удобства.
Печь нельзя было «просто закрыть и забыть».
Рано закрыл заслонку — получай угар.
Оставил тягу плохой — нерукопожатная молекула уже в избе.
А совсем без заслонки тоже нельзя — получишь бессмысленную потерю тепла после прогорании топлива.
Люди, конечно, не знали ни про лиганды, ни про металлоцентры, но прекрасно знали практическое правило:
если печь «дышит плохо», изба становится смертельно опасной.
Влияние концентрации CO в помещение и любом другом изолированном от атмосферы пространстве очень заметное:
- 0,01% (100 ppm): Допустимо для кратковременного воздействия (NIOSH).
- 0,16% (1600 ppm): Головокружение, тошнота через 20 минут, смерть за 2 часа.
- 0,32% (3200 ppm): Смерть в течение 30 минут.
- 1,28% (12800 ppm): Смерть в течение 1–3 минут.
Поэтому, если при горении в помещении плохо работает тяга воздуха — человек засыпает и не просыпается.
А если бы плохо сработала эволюция — мы бы вообще не дожили до эпохи печей.
Железный металлоцентр внутри нашей крови: место, куда ломятся все
В центре гемоглобина в составе гема сидит железо (Fe) в степени окисления +2.
Тот самый "дышащий" металлоцентр, вокруг которого постоянно крутятся кандидаты на связывание.
Основные из этих кандидатов:
- кислород — нужен для жизни;
- угарный газ — делает вид, что тоже хочет помочь, но нагло врет.
С точки зрения чистой химии все плохо.
Если взять голый гем, без белка-обвязки, CO связывается с железом в десятки тысяч раз сильнее (порядка 0,1 млн раз), чем кислород. А кислорода в воздухе, как мы выяснили выше по сравнению с угарным газом больше в 1,05 млн раз. То есть разница приблизительно в 10 раз, а это плохо... Разница очень маленькая! В таких условиях гем без белка-обвязки быстро бы был выведен из нормальной эксплуатации.
То есть по всем правилам химии: «Извините, O₂, ты бы проиграл. Место было бы занято.»
Почему же мы еще живы?
Потому что гемоглобин — это не простая парковка для молекул, а оснащенная фейс-контролем.
На рисунке ниже показана тетрамерная структура гемоглобина человека (α₂β₂) и химическая структура гема b (протогема IX, C₃₄H₃₂O₄N₄Fe). Сравниваются комплексы свободного гема с кислородом и CO, а также гем внутри гемоглобина, где координация лиганда определяется проксимальным и дистальным гистидинами.
Гемоглобин делает три принципиальные вещи:
- Ограничивает геометрию
- Создает стерические неудобства
- Подыгрывает только правильному кандидату
Как показано на рисунке дистальный гистидин стабилизирует связывание O₂ и ослабляет аффинность к CO, тогда как в свободном геме CO связывается значительно прочнее.
Проксимальный гистидин как охранником снизу держит железо:
— «Прямо стоять! Геометрию не нарушать!»
Этот гиксидин фиксирует железо так, что идеально линейно встать не получится из-за окружения, а ведь CO обожает линейную посадку.
Пока CO нервничает, кислороду — все равно.
Дистальный гистидин стоит сверху как вышибало со стороны входа. Главный дискриминатор!
Кислороду он говорит:
— «Проходи, дружище», и поддерживает его водородной связью.
Угарному газу:
— «Ничего не наю! Как хочешь так и влезай?».
Линейно встать не дают, рядом тесно, неудобно, никакого уважения...
Как вы понимает, CO формально может связаться и все еще неплохо связывается, но чувствует себя здесь явно не желанным гостем в сравнении с нахальным поведением у свободного гема b.
Итог гемоглобинового фейс-контроля в сухих цифрах таков:
- без белка: CO связывается с железом сильнее O₂ в 10⁴–10⁵ раз
- в гемоглобине: всего в 200–250 раз
Белок будто сознательно портит жизнь угарному газу.
Итак, мы поняли главную тонкость биохимии гемоглобина:
Гемоглобин не делает кислород сверхсильным. Он делает подход угарного газа неудобным, нивелируя его крепкую хватку к железу(2+).
Молекулярная версия дискриминации!
Если бы этой дискриминации не было, если убрать все эти гистидины, стерические ограничения, геометрию, то CO занял бы все, кислород остался бы без работы, мы бы остались без шансов на жизнь.
Братан, COшечка, ты технически подходишь, но такси в крови животных гоняет по сосудам и дрифтует на поворотах не для тебя.
Прости... Ничего личного... Все вопросы к предкам!
И как после этого не ценить эволюцию!
И биохимию, которая обескураживает своей изобретательностью.
Литература:
Dickerson, R. E.; Geis, I. Hemoglobin: Structure, Function, Evolution, and Pathology; Benjamin/Cummings: Menlo Park, CA, 1983.
Для справки:
В чистом атмосферном фоне угарного газа очень мало.
Фоновая концентрация CO в чистом воздухе: ~0,03–0,2 ppm (частей на миллион).
В городах/у дорог концентрации могут быть выше (единицы ppm), а предельные нормативы для наружного воздуха обычно задаются как 9 ppm (8-часовое среднее) и 35 ppm (1-часовое). Например, если концентрация угарного газа (CO) в воздухе составляет 35 ppm, это означает, что на миллион молекул воздуха приходится 35 молекул CO.
Кислорода в воздухе 20,95%, то есть около 209 000 ppm.
Так можно вычислить отношение O₂ / CO:
- при 0,03 ppm CO: кислорода больше примерно в ≈7 млн раз
- при 0,1 ppm CO: ≈2,1 млн раз
- при 0,2 ppm CO: ≈1,05 млн раз