Дещо про хімію людської крові (і не тільки людської)

Цього тижня відбулася чудова важлива акція — День Донора у Студмістечку КНУ імені Тараса Шевченка, до якої долучилися і хіміки. Ми вже знаємо про потребу у донорській крові та про те, що навіть регулярні донації не чинять організму ніякої шкоди. Тепер же час поглянути на кров з точки зору хімії — і зовсім трошки біології — та дізнатися щось новеньке про цю цінну біологічну рідину.

Чому кров червона (і пахне як іржавий цвях)?

Хімія кольору крові бодай трохи відома кожному — ще зі шкільних часів. Більшість людей знає, що кров містить гемоглобін — білок у червоних кров’яних тільцях, завдяки якому кисень надходить до клітин. Гемоглобін також допомагає переносити частину вуглекислого газу назад у легені у формі карбаміногемоглобіну (хоча більша частина вуглекислого газу переноситься кров’ю у вигляді йонів бікарбонату).

Червоне забарвлення крові зумовлене субодиницями гемоглобіну. Кожна з чотирьох субодиниць складається з білкового ланцюга, який зв'язаний з гемовою групою. Саме ці гемові групи, що містять кон’юговані (зв'язані) атоми заліза, зумовлюють темно-червоний колір крові. Їхня структура, завдяки чергуванню подвійних і одинарних зв’язків поглинає світло певної довжини хвилі — саме тому ми бачимо кров червоною. 

Поширене помилкове уявлення про кров полягає в тому, що начебто дезоксигенована кров (та, що тече назад із наших клітин по венах) синього кольору. Вени дійсно здаються синіми, коли ми дивимося на них через шкіру; крім того, у більшості підручників з біології на схемах із зображенням кровоносних судин вени позначають синім кольором. Насправді насичений киснем гемоглобін яскраво-червоний, а дезоксигенований гемоглобін має темно-червоний колір, але аж ніяк не синій. Кров здається блакитною при погляді на вени крізь шкіру тільки через особливості взаємодії світла з кров’ю та іншими тканинами. Червоне світло може глибше проникати у наші тканини, ніж синє світло, і оскільки дезоксигенована кров поглинає більше червоного світла, ніж збагачена киснем кров, в результаті наші вени виглядають синіми.

Якщо ж у вас коли-небудь була носова або інша кровотеча, то ви, мабуть, помітили, що кров, коли висихає, стає темно-коричневого кольору. Це пов’язано з окисненням атомів заліза в субодиницях гемоглобіну, від заліза (II) до заліза (III) — в результаті утворюється метгемоглобін темно-коричневого кольору.

У разі, якщо вам не пощастило ще більше і ви коли-небудь прикушували власного язика, то ви також могли помітити, що кров має металевий смак. Частково це пов’язано з наявністю заліза в гемоглобіні; він також може реагувати з молекулами жиру, утворюючи низку сполук, які забезпечують металевий присмак. До згаданих сполук входить окт-1-ен-3-он, який описується як такий, що має “грибний металевий запах”. Ця речовина — “винуватець” металевого запаху, який можна відчути на шкірі після дотику до металевих предметів, наприклад, ключів або монет: у цих випадках ви відчуваєте запах не власне металу, а запах продуктів розпаду молекул на шкірі.

Але й сама по собі кров теж пахне металом. Вчені визначили, що особлива сполука в крові, що сприяє слабкому металевому запаху — це транс-4,5-епокси-(Е)-2-деценаль.

Ця сполука також є важливою для полювання хижаків. У дослідженні провели ряд тестів з різними хижаками: вчені замочували приманки в суміші, що містила виокремлений транс-4,5-епокси-(Е)-2-деценаль. Інші приманки містили справжню кров, фруктові есенції та суміші, що майже не мали запаху. У такий неординарний спосіб вчені виявили, що приманка з транс-4,5-епокси-(Е)-2-деценалем приваблювала хижаків так само сильно, як і приманка із цільною кров’ю.

А що по групах крові?

Незважаючи на те, що у всіх людей кров однаково забарвлена гемоглобіном та має однаковий характерний запах та смак, все ж існують відмінності у складі крові різних представників виду. Ми звикли називати ці відмінності групами крові. Існує багато різних груп крові, наприклад, 43 групи крові визнає Міжнародне товариство з переливання крові, але ми зазвичай використовуємо дві базові класифікації для розподілу крові за властивостями та складом.

Першою з цих класифікацій є система ABO. У людини може бути кров групи А, В, АВ або О. Ця класифікація визначається наявністю антигенів — структур, розташованих на поверхні еритроцитів.

З хімічної точки зору антигени представлені залишками цукрів у комбінації з білками та ліпідами, і саме типи антигенів, присутні в крові людини, визначають її групу крові.

Тип крові А має антигени А на поверхні еритроцитів; кров групи B має антигени B. У крові групи АВ є як антигени А, так і В, тоді як у крові групи О немає жодного антигена. Наші антигени крові ігноруються власною імунною системою; однак, якщо під час переливання ми отримуємо кров, яка містить антиген, якого немає у власній крові, це може викликати миттєву відповідь імунної системи — у справу включаються антитіла плазми, хапаючи всіх "чужинців", при цьому відбувається таке собі злипання чужих еритроцитів і закупорка кровоносних судин, подальше руйнування (гемоліз) "чужинців". Такий бурхливий каскад реакцій може призвести навіть до летальних випадків. Кров групи O — це так званий універсальний донор, оскільки її еритроцити не містять антигенів A або B, і таку кров можна безпечно переливати реципієнтам з будь-якою групою. Подібним чином кров групи АВ відома як універсальний акцептор (реципієнт): оскільки вона не містить анти-A або анти-B антитіл, власнику такої групи можна переливати кров з антигенами A або B, не боячись відповідної реакції імунної системи.

Кров також може мати позитивний (наприклад, A+) або негативний (A-) резус-фактор. Це пов'язано із наявністю або відсутністю резус-антигенів (білкова молекула) на еритроцитах, і це також враховують під час переливання крові. Резус-позитивну кров не можна давати резус-негативним реципієнтам, оскільки реципієнт може виробити резус-антитіла, які потім можуть атакувати донорську кров. Люди з резус-позитивною кров'ю можуть отримати кров від резус-позитивних або резус-негативних донорів.

У особливостях суміності різних груп крові легко заплутатися, тому існує безліч типових таблиць для зіставлення донорських/реципієнтних можливостей: 

Що ми знаємо про хімію кольорів крові?

Коли ми думаємо про кров, у нашій уяві постає субстанція багряного кольору, але насправді червоний не єдиний можливий колір крові; деякі тварини можуть мати зелену, блакитну або навіть фіолетову кров через різний хімічний склад та будову білків-переносників кисню.

Ракоподібні, павуки, кальмари, восьминоги та деякі молюски мають блакитну кров через відповідний склад дихального пігменту. Замість гемоглобіну ці істоти використовують білок під назвою гемоціанін. Відмінна від гемоглобіну структура пігменту, а також включення атомів міді замість заліза призводять до того, що кров стає безбарвною при дезоксигенації та блакитною при оксигенації.

Зелену кров можемо спостерігати у деяких видів глистів і п'явок. Молекули хлорокруорину — білку, що надає крові зелене забарвлення — насправді дуже схожі за структурою на гемоглобін. Єдина відмінність — це альдегідна група замість вінілової (незважаючи на таку назву, хлорокруорин не містить атомів хлору). Різниця у структурі може здатися незначною, але призводить до помітної різниці у кольорі — дезоксигенована кров, що містить хлорокруорин, має світло-зелений колір, а оксигенована — більш темний зелений. Концентровані розчини цього пігменту мають світло-червоний колір, а у крові певних організмів, міститься не тільки хлорокруорин, але й гемоглобін, і це призводить до червоного забарвлення рідини.

Однак не тільки хлорокруорин надає крові зеленого забарвлення. Ящірка з родини сцинкових, що зустрічається в Новій Гвінеї, має кров характерного зеленого кольору, незважаючи на те, що до її складу, як і в інших хребетних, входить гемоглобін. Різниця у кольорі пояснюється різним метаболізмом гемоглобіну у організмах: у людей в печінці гемоглобін перетворюється спочатку на білівердин, а потім на білірубін. Однак ящірки не здатні розщеплювати білівердин, тому він накопичується у їхній крові, надаючи інтенсивного зеленого забарвлення, що маскує червоний колір гемоглобіну.

Фіолетова кров також можлива у певних видів морських червів. Колір забезпечує дихальний пігмент під назвою гемеритрин: при дезоксигенації кров безбарвна, але при насиченні киснем вона набуває яскравого фіолетово-рожевого забарвлення. Як і більшість інших дихальних пігментів, гемеритрин у рази менш ефективний, ніж гемоглобін.

Таким чином, можемо зробити висновок, що різні кольори крові демонструють поступове збільшення ефективності роботи білків-переносників кисню — хтозна, якого б кольору була наша кров, якби еволюційні процеси пішли іншим шляхом.

Використано матеріали:

1. Peter Atkins, Atkins' Molecules 2nd Edition, University of Oxford, 2003
2. https://www.compoundchem.com/

На початок статті