39.4: نقل الغازات في سوائل جسم الإنسان

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196093

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

المهارات اللازمة للتطوير

وصف كيفية ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين ونقله إلى أنسجة الجسم
شرح كيفية انتقال ثاني أكسيد الكربون من أنسجة الجسم إلى الرئتين

بمجرد أن ينتشر الأكسجين عبر الحويصلات الهوائية، فإنه يدخل مجرى الدم وينتقل إلى الأنسجة حيث يتم تفريغه، وينتشر ثاني أكسيد الكربون خارج الدم إلى الحويصلات الهوائية ليتم طرده من الجسم. على الرغم من أن تبادل الغازات عملية مستمرة، إلا أن الأكسجين وثاني أكسيد الكربون يتم نقلهما بآليات مختلفة.

نقل الأكسجين في الدم

على الرغم من ذوبان الأكسجين في الدم، يتم نقل كمية صغيرة فقط من الأكسجين بهذه الطريقة. يتم إذابة 1.5 بالمائة فقط من الأكسجين في الدم مباشرة في الدم نفسه. يرتبط معظم الأكسجين - 98.5 في المائة - ببروتين يسمى الهيموجلوبين ويتم نقله إلى الأنسجة.

الهيموجلوبين

الهيموجلوبين، أو Hb، هو جزيء بروتيني موجود في خلايا الدم الحمراء (كريات الدم الحمراء) يتكون من أربع وحدات فرعية: وحدتان فرعيتان من ألفا ووحدتان فرعيتان من بيتا (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تحيط كل وحدة فرعية بمجموعة الهيم المركزية التي تحتوي على الحديد وتربط جزيء أكسجين واحد، مما يسمح لكل جزيء هيموغلوبين بربط أربعة جزيئات أكسجين. تكون الجزيئات التي تحتوي على المزيد من الأكسجين المرتبط بمجموعات الهيم حمراء أكثر إشراقًا. ونتيجة لذلك، يتحول لون الدم الشرياني المؤكسج حيث يحمل Hb أربعة جزيئات من الأكسجين إلى اللون الأحمر الفاتح، بينما يكون الدم الوريدي غير المؤكسج أحمر داكن.

من الأسهل ربط جزيء الأكسجين الثاني والثالث بـ Hb مقارنة بالجزيء الأول. وذلك لأن جزيء الهيموجلوبين يغير شكله، أو شكله، مع ارتباط الأكسجين. ومن ثم يصبح من الصعب ربط الأكسجين الرابع. يمكن رسم ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين كدالة للضغط الجزئي للأكسجين في الدم (المحور السيني) مقابل التشبع النسبي بالأكسجين HB-الأكسجين (المحور y). الرسم البياني الناتج - منحنى تفكك الأكسجين - هو سيني أو على شكل S (الشكل\(\PageIndex{2}\)). مع زيادة الضغط الجزئي للأكسجين، يصبح الهيموجلوبين مشبعًا بشكل متزايد بالأكسجين.

آرت كونيكشن

يرسم الرسم البياني نسبة تشبع الأكسجين في الهيموجلوبين كدالة للضغط الجزئي للأكسجين. يزداد تشبع الأكسجين في منحنى على شكل S، من 0 إلى 100 بالمائة. يتحول المنحنى إلى اليسار تحت ظروف انخفاض ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة العالية ودرجة الحرارة المنخفضة وإلى اليمين في ظروف ارتفاع ثاني أكسيد الكربون أو انخفاض درجة الحموضة أو ارتفاع درجة الحرارة. — الشكل\(\PageIndex{2}\): يوضح منحنى تفكك الأكسجين أنه مع زيادة الضغط الجزئي للأكسجين، يربط المزيد من الأكسجين الهيموجلوبين. ومع ذلك، قد يتحول تقارب الهيموجلوبين للأكسجين إلى اليسار أو اليمين اعتمادًا على الظروف البيئية.

الكلى مسؤولة عن إزالة أيونات H ⁺ الزائدة من الدم. في حالة فشل الكلى، ماذا سيحدث لدرجة الحموضة في الدم ولتقارب الهيموجلوبين مع الأكسجين؟

العوامل التي تؤثر على ربط الأكسجين

تحدد قدرة الهيموجلوبين على حمل الأكسجين كمية الأكسجين التي يحملها الدم. بالإضافة إلى ذلك\(\text{P}_{\text{O}_2}\)، يمكن أن تؤثر العوامل والأمراض البيئية الأخرى على قدرة حمل الأكسجين وإيصاله.

تؤثر مستويات ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة في الدم ودرجة حرارة الجسم على قدرة حمل الأكسجين (الشكل\(\PageIndex{2}\)). عندما يكون ثاني أكسيد الكربون في الدم، فإنه يتفاعل مع الماء لتكوين البيكربونات (\(\text{HCO}_3^-\)) وأيونات الهيدروجين (H ⁺). مع زيادة مستوى ثاني أكسيد الكربون في الدم، يتم إنتاج المزيد من H ⁺ وتنخفض درجة الحموضة. هذه الزيادة في ثاني أكسيد الكربون والانخفاض اللاحق في درجة الحموضة تقلل من تقارب الهيموجلوبين بالأكسجين. ينفصل الأكسجين عن جزيء Hb، ويحول منحنى تفكك الأكسجين إلى اليمين. لذلك، هناك حاجة إلى المزيد من الأكسجين للوصول إلى نفس مستوى تشبع الهيموجلوبين عندما كان الرقم الهيدروجيني أعلى. ينتج تحول مماثل في المنحنى أيضًا عن زيادة درجة حرارة الجسم. تؤدي زيادة درجة الحرارة، مثل زيادة نشاط العضلات الهيكلية، إلى تقليل تقارب الهيموجلوبين بالأكسجين.

تقلل أمراض مثل فقر الدم المنجلي والثلاسيميا من قدرة الدم على توصيل الأكسجين إلى الأنسجة وقدرته على حمل الأكسجين. في فقر الدم المنجلي، يكون شكل خلية الدم الحمراء على شكل هلال وممدود ومتصلب، مما يقلل من قدرتها على توصيل الأكسجين (الشكل\(\PageIndex{3}\)). في هذا الشكل، لا يمكن لخلايا الدم الحمراء المرور عبر الشعيرات الدموية. هذا مؤلم عند حدوثه. الثلاسيميا مرض وراثي نادر ناجم عن خلل في وحدة ألفا أو بيتا الفرعية من Hb. ينتج مرضى الثلاسيميا عددًا كبيرًا من خلايا الدم الحمراء، ولكن هذه الخلايا تحتوي على مستويات أقل من المعتاد من الهيموجلوبين. لذلك، تقل القدرة على حمل الأكسجين.

تُظهر الصورة المجهرية مسحة من خلايا الدم الحمراء، بعضها على شكل قرص ومضغوط في المنتصف، في حين أن بعضها على شكل هلال. يبلغ عرض كل خلية دم حمراء حوالي خمسة ميكرونات. — الشكل\(\PageIndex{3}\): الأفراد المصابون بفقر الدم المنجلي لديهم خلايا دم حمراء على شكل هلال. (المصدر: تعديل عمل إد أوثمان؛ بيانات المقياس من مات راسل)

نقل ثاني أكسيد الكربون في الدم

يتم نقل جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الدم من أنسجة الجسم إلى الرئتين بإحدى الطرق الثلاث: الذوبان مباشرة في الدم، أو الارتباط بالهيموجلوبين، أو حملها كأيون بيكربونات. تؤثر العديد من خصائص ثاني أكسيد الكربون في الدم على نقله. أولاً، ثاني أكسيد الكربون أكثر قابلية للذوبان في الدم من الأكسجين. يتم إذابة حوالي 5 إلى 7 بالمائة من ثاني أكسيد الكربون في البلازما. ثانيًا، يمكن أن يرتبط ثاني أكسيد الكربون ببروتينات البلازما أو يمكن أن يدخل خلايا الدم الحمراء ويرتبط بالهيموجلوبين. ينقل هذا النموذج حوالي 10 بالمائة من ثاني أكسيد الكربون. عندما يرتبط ثاني أكسيد الكربون بالهيموجلوبين، يتشكل جزيء يسمى كاربامينوهيموغلوبين. يمكن عكس ارتباط ثاني أكسيد الكربون بالهيموجلوبين. لذلك، عندما يصل إلى الرئتين، يمكن لثاني أكسيد الكربون أن ينفصل بحرية عن الهيموجلوبين ويتم طرده من الجسم.

ثالثًا، يتم نقل غالبية جزيئات ثاني أكسيد الكربون (85 بالمائة) كجزء من نظام عزل البيكربونات. في هذا النظام، ينتشر ثاني أكسيد الكربون في خلايا الدم الحمراء. يعمل الأنهيدراز الكربوني (CA) داخل خلايا الدم الحمراء على تحويل ثاني أكسيد الكربون بسرعة إلى حمض كربوني (H ₂ CO ₃). حمض الكربونك هو جزيء وسيط غير مستقر يتفكك على الفور إلى أيونات البيكربونات (\(\text{HCO}_3^-\)) وأيونات الهيدروجين (H ⁺). نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يتحول بسرعة إلى أيونات البيكربونات، فإن هذا التفاعل يسمح باستمرار امتصاص ثاني أكسيد الكربون في الدم إلى أسفل تدرج تركيزه. كما ينتج عنه إنتاج أيونات H ⁺. إذا تم إنتاج الكثير من H ⁺، فقد يؤدي ذلك إلى تغيير درجة الحموضة في الدم. ومع ذلك، يرتبط الهيموجلوبين بأيونات H ⁺ الحرة وبالتالي يحد من التحولات في درجة الحموضة. يتم نقل أيون البيكربونات المركب حديثًا من خلية الدم الحمراء إلى المكون السائل للدم مقابل أيون الكلوريد (Cl ^-)؛ وهذا ما يسمى بتحول الكلوريد. عندما يصل الدم إلى الرئتين، يتم نقل أيون البيكربونات مرة أخرى إلى خلية الدم الحمراء مقابل أيون الكلوريد. ينفصل أيون H ⁺ عن الهيموجلوبين ويرتبط بأيون البيكربونات. ينتج هذا حمض الكربونك الوسيط، الذي يتم تحويله مرة أخرى إلى ثاني أكسيد الكربون من خلال التأثير الإنزيمي لـ CA. يتم طرد ثاني أكسيد الكربون المنتج عبر الرئتين أثناء الزفير.

\[\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \leftrightharpoons \underset{\text{(carbonic acid)}}{\text{H}_2\text{CO}_3} \leftrightarrow \underset{\text{(bicarbonate)}}{\text{HCO}_3 + \text{H}^+}\nonumber\]

تتمثل فائدة نظام عزل البيكربونات في أن ثاني أكسيد الكربون «ينقع» في الدم مع تغيير طفيف في درجة الحموضة في النظام. هذا مهم لأنه لا يتطلب سوى تغيير بسيط في درجة الحموضة الكلية للجسم حتى تحدث إصابة شديدة أو وفاة. يسمح وجود نظام عزل البيكربونات هذا أيضًا للأشخاص بالسفر والعيش على ارتفاعات عالية: عندما يتغير الضغط الجزئي للأكسجين وثاني أكسيد الكربون على ارتفاعات عالية، يتم ضبط نظام عزل البيكربونات لتنظيم ثاني أكسيد الكربون مع الحفاظ على درجة الحموضة الصحيحة في الجسم.

تسمم أول أكسيد الكربون

في حين أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يرتبط بسهولة ويتفكك عن الهيموجلوبين، فإن الجزيئات الأخرى مثل أول أكسيد الكربون (CO) لا تستطيع ذلك. أول أكسيد الكربون له صلة أكبر بالهيموجلوبين من الأكسجين. لذلك، عندما يكون أول أكسيد الكربون موجودًا، فإنه يرتبط بالهيموجلوبين بشكل تفضيلي على الأكسجين. ونتيجة لذلك، لا يمكن أن يرتبط الأكسجين بالهيموجلوبين، لذلك يتم نقل القليل جدًا من الأكسجين عبر الجسم (الشكل\(\PageIndex{4}\)). أول أكسيد الكربون هو غاز عديم اللون والرائحة وبالتالي يصعب اكتشافه. يتم إنتاجه بواسطة مركبات وأدوات تعمل بالغاز. يمكن أن يسبب أول أكسيد الكربون الصداع والارتباك والغثيان؛ التعرض طويل الأمد يمكن أن يسبب تلف الدماغ أو الوفاة. إن إعطاء الأكسجين (النقي) بنسبة 100 في المائة هو العلاج المعتاد للتسمم بأول أكسيد الكربون. يؤدي إعطاء الأكسجين النقي إلى تسريع فصل أول أكسيد الكربون عن الهيموجلوبين.

تنخفض نسبة تشبع الأكسجين في الهيموجلوبين عند ضغط أكسجين يبلغ 100 ملليمتر من الزئبق مع زيادة نسبة أول أكسيد الكربون. في حالة عدم وجود أول أكسيد الكربون، يكون الهيموجلوبين مشبعًا بالأكسجين بنسبة 98 بالمائة. عند وجود 20 بالمائة من أول أكسيد الكربون، يكون الهيموجلوبين مشبعًا بالأكسجين بنسبة 77 بالمائة. عند وجود 40 في المائة من أول أكسيد الكربون، يكون الهيموجلوبين مشبعًا بالأكسجين بنسبة 68 في المائة. عند وجود ستين بالمائة من أول أكسيد الكربون، يكون الهيموجلوبين مشبعًا بنسبة 40 بالمائة بالأكسجين. عند وجود ثمانين بالمائة من أول أكسيد الكربون، يكون الهيموجلوبين مشبعًا بالأكسجين بنسبة 20 بالمائة. — الشكل\(\PageIndex{4}\): مع زيادة نسبة ثاني أكسيد الكربون، ينخفض تشبع الأكسجين في الهيموجلوبين.

ملخص

الهيموجلوبين هو بروتين موجود في خلايا الدم الحمراء ويتكون من وحدتين فرعيتين ألفا وبيتا تحيط بمجموعة الهيم المحتوية على الحديد. الأكسجين يربط بسهولة مجموعة الهيم هذه. تزداد قدرة الأكسجين على الارتباط مع ارتباط المزيد من جزيئات الأكسجين بالهيم. يمكن أن تؤثر حالات المرض والظروف المتغيرة في الجسم على قدرة ارتباط الأكسجين، وتزيد أو تقلل من قدرته على الانفصال عن الهيموجلوبين.

يمكن نقل ثاني أكسيد الكربون عبر الدم بثلاث طرق. يتم إذابته مباشرة في الدم، ويرتبط ببروتينات البلازما أو الهيموجلوبين، أو يتحول إلى بيكربونات. يتم نقل غالبية ثاني أكسيد الكربون كجزء من نظام البيكربونات. ينتشر ثاني أكسيد الكربون في خلايا الدم الحمراء. في الداخل، يحول الأنهيدراز الكربوني ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الكربوليك (H ₂ CO ₃)، والذي يتم تحلله لاحقًا إلى بيكربونات (\(\text{HCO}_3^-\)) و H ⁺. يرتبط أيون H ⁺ بالهيموجلوبين في خلايا الدم الحمراء، ويتم نقل البيكربونات خارج خلايا الدم الحمراء مقابل أيون الكلوريد. وهذا ما يسمى بتحول الكلوريد. يخرج البيكربونات من خلايا الدم الحمراء ويدخل بلازما الدم. في الرئتين، يتم نقل البيكربونات مرة أخرى إلى خلايا الدم الحمراء مقابل الكلوريد. ينفصل H ⁺ عن الهيموجلوبين ويتحد مع البيكربونات لتكوين حمض الكربونك بمساعدة الأنهيدراز الكربوني، مما يزيد من تحفيز التفاعل لتحويل حمض الكربونك مرة أخرى إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. ثم يتم طرد ثاني أكسيد الكربون من الرئتين.

اتصالات فنية

الشكل\(\PageIndex{2}\): الكلى مسؤولة عن إزالة أيونات H ⁺ الزائدة من الدم. في حالة فشل الكلى، ماذا سيحدث لدرجة الحموضة في الدم ولتقارب الهيموجلوبين مع الأكسجين؟

إجابة: ستنخفض درجة الحموضة في الدم وستنخفض تقارب الهيموجلوبين مع الأكسجين.

مسرد المصطلحات

نظام عازل البيكربونات: نظام في الدم يمتص ثاني أكسيد الكربون وينظم مستويات الحموضة

أيون\(\text{HCO}_3^-\) بيكربونات: أيون ناتج عندما يتفكك حمض الكربوميك إلى H ⁺ و\((\ce{HCO3-})\)

هيموغلوبين الكارباميني: جزيء يتشكل عندما يرتبط ثاني أكسيد الكربون بالهيموجلوبين

الأنهيدراز الكربوني (CA): الإنزيم الذي يحفز ثاني أكسيد الكربون والماء إلى حمض الكربونك

تحول الكلوريد: يقوم الكلوريد بتحويل تبادل الكلوريد للبيكربونات إلى داخل أو خارج خلية الدم الحمراء

مجموعة الموضوع: مجموعة مركزية تحتوي على الحديد محاطة بوحدات ألفا وبيتا الفرعية للهيموغلوبين

الهيموغلوبين: جزيء في خلايا الدم الحمراء يمكنه ربط الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون

القدرة على حمل الأكسجين: كمية الأكسجين التي يمكن نقلها في الدم

منحنى تفكك الأكسجين: منحنى يصور تقارب الأكسجين للهيموغلوبين

الأنيميا المنجلية: اضطراب وراثي يؤثر على شكل خلايا الدم الحمراء، وقدرتها على نقل الأكسجين والتحرك عبر الشعيرات الدموية

الثلاسيميا: اضطراب وراثي نادر يؤدي إلى طفرة في وحدات ألفا أو بيتا الفرعية للهيموغلوبين، مما يؤدي إلى تكوين خلايا دم حمراء أصغر مع كمية أقل من الهيموجلوبين