В крови плавает огромное количество разнообразных белков и клеток, но красным цветом она обязана только одной молекуле — гемоглобину.

Структура гемоглобина. Гемоглобин состоит из четырёх субъединиц: двух альфа- (окрашены красным) и двух бета-глобинов (окрашены синим). Каждый глобин держит по одному гему с атомом железа (гемы окрашены зелёным). Когда с гемоглобином связывается первая молекула кислорода, структура всего белка слегка меняется, так что оставшимся свободным гемам становится проще связывать кислород. Рисунок: Richard Wheeler/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.

Одни из обладателей голубой крови мечехвосты — чрезвычайно древние морские членистоногие. Они почти не менялись последние 445 млн лет, а один из четырёх ныне живущих видов, как считается, почти идентичен мечехвостам, ползавшим по морскому дну около 230 млн лет назад. Современные мечехвосты вырастают до 60 см, питаясь разными донными позвоночными и выползая для размножения на песчаные берега. Фото: ru.depositphotos.com/iviktor2013.

Шиповатая белокровка из семейства Channichthyidae, или Белокровковых, — одна из рыб с бесцветной кровью. Живёт у берегов Антарктиды на глубине от 4 до 600 метров. Фото: Marrabbio2/Wikimedia Commons3.

Многощетинковых червей, или полихет, насчитывают более 10 тысяч видов, и лишь три из них, относящиеся к роду Magelona, обзавелись гемэритрином в качестве газотранспортного белка и пурпурной кровью. На фото: полихета Magelona johnstoni. Фото: Hans Hillewaert/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.

В крови плавает огромное количество разнообразных белков и клеток, но красным цветом она обязана только одной молекуле — гемоглобину. Мы с вами помним, что гемоглобин представляет собой сложный белок, который содержится в красных кровяных клетках, или эритроцитах, и что он нужен для дыхания. Когда кровь приходит в лёгкие, гемоглобин связывает кислород и уносит его к другим органам: кислород нужен для биохимических реакций, которые обеспечивают клетку энергией. В ходе этих реакций образуется углекислый газ, который частично связывает освободившийся от кислорода гемоглобин; большая часть СО₂ просто растворяется в крови и в таком виде уходит к лёгким.

Гемоглобин — очень большой белок, собранный из четырёх белков поменьше: двух альфа-глобинов и двух бета-глобинов. Каждый из глобинов держит по одному гему. Гем — сложная органическая молекула с атомом железа. Именно железо в геме связывает кислород и углекислый газ. Поскольку гемов в одном гемоглобине четыре штуки, то за один раз гемоглобин может перенести четыре молекулы кислорода.

Как раз железо и даёт крови красный цвет: гемоглобин поглощает световые волны синего и зелёного диапазона, отражая красные, — их мы и видим. Оттенок цвета меняется в зависимости от того, насколько кровь насыщена кислородом, то есть как много гемов несёт с собой О₂. Ответ на вопрос, почему так получается, нужно искать в особенностях взаимодействия атомов, образующих гем. Молекула гема потому и сложна, что атом железа должен быть в таком окружении, чтобы он не только легко присоединял кислород, но и легко отдавал. Когда кислород соединяется с железом, свойства этого комплекса изменяются так, что мы видим ярко-красный цвет; когда же кислород уходит, гемоглобин начинает поглощать больше «красных» волн, становясь для нас более тёмным. Поэтому венозная кровь, бедная кислородом, темнее артериальной.

Гемоглобин — не единственный белок, который можно использовать для транспорта кислорода; такую же работу выполняют белки гемоцианины, гемэритрины и эритрокруорины с хлорокруоринами. Очень многие членистоногие и моллюски пользуются гемоцианинами, которые просто плавают у них в крови (специальных кровяных клеток для газообмена, подобных нашим эритроцитам, у них нет). Гемоцианины несут в гемах не железо, а медь — она связывает кислород и она же придаёт крови синий или голубой цвет. Кольчатые черви и некоторые членистоногие используют для переноса белки эритрокруорины — они во многом похожи на гемоглобины, в их гемах сидит железо, и кровь получается красной. Но среди кольчатых червей есть четыре семейства полихет, или многощетинковых червей, живущих на морском дне. В их крови кислород переносят белки хлорокруорины, в состав которых тоже входит железо, и кровь у этих полихет красная, но если её разбавить, она зеленеет. (Отсюда и название белков: «хлоро» в переводе с греческого означает зелёный.) Система химических связей в молекуле хлорокруоринов такова, что они отражают не только красный, но и частично зелёный свет.

Наконец, есть морские животные, называемые сипункулидами и приапулидами, — в их крови плавают гемэритрины. Название вводит в заблуждение — никакого гема в них нет, а два атома железа, которые связывают кислород, прикреплены прямо к молекуле белка. Гемэритрины придают крови фиолетовый цвет. Такая же фиолетовая гемэритриновая кровь есть у некоторых плеченогих (ещё одна самостоятельная группа морских животных) и у червей рода Magelona из уже упоминавшихся полихет.

А что же зеленокровные сцинки — у них тоже зелёные белки? А вот и нет: кислород у них переносит обычный красный гемоглобин. Просто в крови у этих ящериц много зелёного пигмента биливердина. Биливердин — результат утилизации гемоглобинового гема: как и всякий белок, гемоглобин рано или поздно выходит из строя и разрушается ферментами печени, костного мозга и селезёнки. Биливердин превращается в красно-оранжевый билирубин; и тот и другой поступают в желчь, придавая ей зеленовато-жёлтый оттенок. Потом билирубин вместе с желчью поступает в кишечник и выводится из организма. Зеленоватый цвет синяков на коже получается тоже из-за биливердина, который образуется в месте удара из разрушающегося гемоглобина.

Биливердин достаточно ядовит; какое-то его количество в крови есть всегда, но организм старается как можно быстрее от него избавляться. Исключение — зеленокровные сцинки, обитающие в Папуа — Новой Гвинее: биливердина в их крови столько, что красного гемоглобина уже не видно; человек с таким количеством биливердина в крови давно был бы мёртв. Вероятно, с помощью ядовитого пигмента сцинки защищаются от паразитов и хищников.

А вот в крови белокровных рыб нет ни гемоглобина, ни каких-то других газотранспортных белков. Эти рыбы живут в экстремально холодной воде температурой от –1,8°С до 2°С, а чем вода холоднее, тем больше в ней растворено кислорода. Считается, что весь необходимый рыбам кислород поступает из воды через жабры и кожу прямо в кровь; вероятно, чтобы кровь лучше насыщалась О₂, белокровные рыбы избавились от чешуи. Их кровеносные сосуды шире, объём крови больше, сама кровь не такая вязкая, как у других рыб такого же размера, а сердце в несколько раз мощнее. Всё вместе позволяет снабжать органы нужным количеством кислорода.

У насекомых кровь называют гемолимфой, и она у них бесцветная или желтовато-бесцветная. (Строго говоря, гемолимфой называют кровь вообще всех членистоногих и ещё некоторых других животных.) Здесь дело немного в другом, а именно в том, что насекомым кровь вообще не нужна для дыхания. Их дыхательная система — это множество разветвлённых трахей, пронизывающих всё тело. Трахеи открываются наружу отверстиями-дыхальцами; кислород поступает непосредственно к внутренним органам, а углекислый газ по тем же трахеям уходит наружу. С такой вентиляцией гемолимфа избавлена от газотранспортной функции, но в остальном она занимается тем же, что и обычная кровь: переносит питательные вещества, отводит от органов и тканей метаболический мусор, выполняет иммунную функцию и так далее. При этом кровеносные сосуды у насекомых не замкнуты, гемолимфа выходит из них в полость тела. Давление гемолимфы используется для некоторых движений, например, чтобы расправить крылья или развернуть хоботок.

Что же до аристократической голубой крови, то считается, что это выражение возникло в средневековой Испании, во времена арабского завоевания. Завоеватели были смуглокожими, а на тёмной коже плохо видны вены — в отличие от светлой кожи, под которой вены выглядят голубоватыми линиями. Чем светлее кожа, тем лучше видны вены. Испанский аристократ, желая показать, что его род никогда не смешивался с пришельцами из Северной Африки, демонстрировал белые руки с «голубой кровью» — признак истинной знатности. И так же, кстати говоря, можно было отличить человека низкого происхождения, который работает в поле, покрываясь грязью и загаром, от человека высокого происхождения, не утруждающего себя физической работой на открытом воздухе.

***

Кроме кислорода (О₂) и углекислого газа (СО₂), гемоглобин связывает угарный газ (СО), причём угарный газ соединяется с гемоглобиновым гемом в 250 раз сильнее, чем кислород. Когда в воздухе появляется угарный газ, гемоглобин хватает в первую очередь его и уже не отпускает. Чем больше угарного газа, тем меньше молекул гемоглобина, способных переносить кислород; остаётся только ждать, когда испорченный гемоглобин разрушится и в крови появятся новые эритроциты с новым гемоглобином. Большие концентрации угарного газа быстро вызывают потерю сознания и смерть; он тем более опасен, что у него нет ни цвета, ни запаха, и потому обнаружить его присутствие без специальных приборов невозможно.

Ещё один газ, который переносит гемоглобин, — монооксид азота NO. Он связывается не с гемом, а непосредственно с белками глобинами. NO — важный физиологический регулятор: он служит сигналом при общении клеток друг с другом, расслабляет стенки кровеносных сосудов, участвует в иммунных реакциях и выполняет ещё ряд функций.

№12, 2021