Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Основна характеристика процесу
|
|
Основна характеристика
2. Моделі процес переносу кисню
3. Стаціонарна модель полегшеної дифузії
4. Результати розрахунків для моделі
Основна характеристика процесу
У спокої клітини нашого тіла споживають близько 300 л кисню на добу, або 250 мл за хвилину. При фізичних вправах або роботі потреба в ньому може зрости в 10-15 разів. Якби кисень, принесений кров'ю тканинам, був просто розчинений в плазмі, крові потрібно було б циркулювати в організмі, навіть знаходиться в стані спокою, зі швидкістю 180 л на хвилину, щоб доставити достатню кількість кисню клітинам, так як він погано розчиняється в плазмі. Насправді, коли людина відпочиває, кров циркулює зі швидкістю близько 5 л у хвилину. Різниця між 180 і 5л в хвилину обумовлена функцією гемоглобіну.
Гемоглобін — складний залізомісткий білок еритроцитів тварин і людини, здатний оборотно зв'язуватися з киснем, забезпечуючи його перенесення до тканин
Головна функція гемоглобіну полягає в транспорті дихальних газів. У капілярах легенів в умовах надлишку кисню останній з'єднується з гемоглобіном. Потоком крові еритроцити, що містять молекули гемоглобіну із зв'язаним киснем, доставляються до органів і тканин, де кисню мало. Тут необхідний для протікання окислювальних процесів кисень звільняється із зв'язку з гемоглобіном. Крім того, гемоглобін здатний зв'язувати в тканинах невелику кількість диоксиду вуглецю (CO2) і звільняти його у легенях. Монооксид вуглецю (CO) зв'язується з гемоглобіном крові міцніше, ніж кисень, необоротно утворюючи метгемоглобін (metHb, від мета. і гемоглобін, інакше геміглобін або феррігемоглобін). Таким чином, блокується процеси транспортування кисню. У метгемоглобіні залізо гема знаходиться в комплексі або в тривалентному стані. Метгемоглобін також утворюється в значних кількостях в результаті спадкового захворювання метгемоглобінемії
Нормальним вмістом гемоглобіну в крові людини вважається: у чоловіків 130—170 г/л, у жінок 120—150 г/л; у дітей — 120—140 г/л.
2. Моделі процесу переносу кисню
Багато вчених провели низку досліджень по аналізу процесу переносу кисню гемоглобіном. Потрібно було запропонувати певну модель для опису цього процесу, адже він не міг відбуватися лише за рахунок дифузії кисню. Дослідники запропонували 2 різні моделі:
1. Кисень передається між молекулами гемоглобіну по принципу ланцюжка: він так би мовити перескакує від одного гемоглобіна до іншого, а вони залишаються малорухомими. Даний механізм добре відомий для іонних мембран. Дана модель була запропонована Шоландером в 1960 році. Проте через 6 років вона була спростована Уітенбергом, який показав, що при збільшені концентрації гемоглобіну в розчині потік кисню через нього зменшується. Такий висновок протичечить даній моделі.
2. В другому випадку кисень переноситься за допомогою руху гемоглобіну, до якого він приєднаний. Такий процес назвали полегшеною дифузією. Саме цей механізм вважається зараз вірним, адже було проведено багато дослідів що підтвердили його наявність. Крім того багато вчених працювало над описом цієї моделі математично. Відмінність їх роботи виражається в основономі різними гранічними умовами при постановці задачі.
3. Стаціонарна модель полегшеної дифузії
Експериментально дану модель досліджував Уітенберг. Дослід проходив таким чином: мембрана, що мітила гемоглобін розділяла дві газові камери: в одній концентрація кисню підтримувалась на одному рівні, а в іншій конценрація підтримувалась на як умога нижчому рівні. Потік визначався для деякого діапазону тиску кисню. Крім того досліджувалась звичайна дифузія, тобто за відсутності гемоглобіну. Схема даного експерименту приведена на рисунку. Реакція гемоглобіна з киснем може бути описана двома константами швидкості, а саме k1 і k-1:
Для гемоглобіна, що має 4 звязуючі центри дана формула досить доббре описує кінетику, за вийнятком випадку коли гемоглобін майже повністю насичений субстратом. Значення k-1 може, без сумнівів, вважатися постійним. Константа k1 – залежить від насичення гемоглобіна. Уаймен запропонував для брати для неї пвне середнє значення.
Молекулярний механізм, запропонований Уітенбергом, полягає в тому, що молекули білок-субстратного комплексу дифундують і в силу оборотності процесу тим самим підсилюють диффузний потік кисню. Тому при побудові моделі будемо вважати, що Hb і HbO2 дифундують в мембрані. Нехай коефіцієнти дифузії для Hb і HbO2 - рівні між собою і позначимо як Dp, а для вільного кисню – Dс. Дані коефіцієнти були визначенні експериментально. Якщо реагент дифундує з коефіцієнтом Dс, то існує потік J=-Dc∆ c. Запишемо рівняння для даної моделі, задавши такі змінні с – концентрація кисню,:
Перший інтеграл описує швидкість зміни с в V, другий інтеграл – потік с через S, третій – швидкість зміни с в V в наслідок реакції. Застосувавши формулу Остроградського і прирівнявши похідну по часу від с нулю (стаціонарний випадок), отримаємо такі рівняння:
Де ρ – це швидкість реакції, що визначається таким співвідношенням:
Для вирішення системи рівнянь приведеної нижче потрібно задати граничні умови. З математичної точки зору було б логічно задати значення cp, cc, c при х=0 і L. Але ці дані не можливо визначити експериментально, але можна задати інші граничні умови, оскільки білки залишаються в мембрані – їх потік через границі мембрани рівний нулю. Але рівняння для с залишається не повним. Щоб задати граничні умови для нього потрібно вдатися до певних хитрощів: повна концентрація білку, тобто вільного і зв’язаного з киснем залишається сталою 
, тоді систему з трьох рівнянь для кисню, гемоглобіну і зв’язаного гемоглобіну можна подати в такому вигляді:
Y – це дуже важлива характеристика процесу переносу кисню, що дорівнює відношенню звязаного гемоглобіну до його загальної кількості, що називається насиченням. Крім того, слід згадати про величину ctY, яка дорівнює концентрації зв’язаного кисню.
4. Результати розрахунків для моделі
При вирішенні системи рівнянь приведеної више з використанням граничних умов, що відповідають з заданими концентраціями кисню і насиченості на краях мембрани дають результати приведені на графіку. Як бачимо в процес переносу кисню основний вклад робить полегшена дифузія, як і у випадку гемоглобіну, и і у випадку міоглобіну.
Крім того слід згадати про процес переносу СО, що відбувається так як і процес переносу кисню. Відміна полягає в тому, що константи дисоціації для СО на три порядки нижчі ніж для кисню, а спорідненість на порядок вища. Це призводить до того, що великій концентрації СО, він починає витісняти кисень з гемоглобіну, що може в результаті призвести до смерті.