22.6: Usafiri wa Gesi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza kanuni za usafiri wa oksijeni
• Eleza muundo wa hemoglobin
• Kulinganisha na kulinganisha hemoglobin ya fetasi na
• Eleza kanuni za usafiri wa dioksidi kaboni

Shughuli nyingine kubwa katika mapafu ni mchakato wa kupumua, mchakato wa kubadilishana gesi. Kazi ya kupumua ni kutoa oksijeni kwa matumizi ya seli za mwili wakati wa kupumua kwa seli na kuondokana na dioksidi kaboni, bidhaa taka ya kupumua kwa seli, kutoka kwa mwili. Ili kubadilishana oksijeni na dioksidi kaboni kutokea, gesi zote zinapaswa kusafirishwa kati ya maeneo ya nje na ya ndani ya kupumua. Ingawa dioksidi kaboni ni mumunyifu zaidi kuliko oksijeni katika damu, gesi zote mbili zinahitaji mfumo maalumu wa usafiri kwa wengi wa molekuli za gesi kuhamishwa kati ya mapafu na tishu nyingine.

Usafiri wa oksijeni katika damu

Ingawa oksijeni husafirishwa kupitia damu, unaweza kukumbuka kuwa oksijeni haipatikani sana katika vinywaji. Kiasi kidogo cha oksijeni hupasuka katika damu na husafirishwa kwenye damu, lakini ni karibu 1.5% tu ya jumla. Wengi wa molekuli za oksijeni huchukuliwa kutoka mapafu hadi tishu za mwili kwa mfumo maalumu wa usafiri, ambao unategemea erythrocyte—seli nyekundu ya damu. Erythrocytes zina metalloprotein, hemoglobin, ambayo hutumikia kumfunga molekuli za oksijeni kwenye erythrocyte (Mchoro 22. Heme ni sehemu ya hemoglobin iliyo na chuma, na ni heme inayofunga oksijeni. Kila molekuli ya hemoglobin ina molekuli nne za heme zenye chuma, na kwa sababu ya hili, molekuli moja ya hemoglobin ina uwezo wa kubeba hadi molekuli nne za oksijeni. Kama oksijeni inaenea kwenye utando wa kupumua kutoka kwa alveolus hadi kapilari, pia huenea ndani ya seli nyekundu ya damu na imefungwa na hemoglobin. Mmenyuko yafuatayo ya kemikali inayobadilishwa inaelezea uzalishaji wa bidhaa ya mwisho, oksijemoglobin (HBO ₂), ambayo hutengenezwa wakati oksijeni inafunga kwa hemoglobin. Oxyhemoglobin ni molekuli yenye rangi nyekundu inayochangia rangi nyekundu ya damu yenye oksijeni.

$${\text{Hb + O}}_{\text{2}}\leftrightarrow \text{Hb}{\text{O}}_{\text{2}}$$

Katika formula hii, Hb inawakilisha hemoglobin iliyopunguzwa, yaani, hemoglobin ambayo haina oksijeni iliyofungwa nayo. Kuna sababu nyingi zinazohusika katika jinsi urahisi heme kumfunga na dissociates kutoka oksijeni, ambayo itajadiliwa katika sehemu zifuatazo.

Kielelezo 22.25 Erythrocyte na Hemoglobin Hemoglobin ina subunits nne, ambayo kila mmoja ina molekuli moja ya chuma.

Kazi ya Hemoglobin

Hemoglobin inajumuisha subunits, muundo wa protini unaojulikana kama muundo wa quaternary. Kila moja ya subunits nne ambazo hufanya hemoglobin hupangwa kwa mtindo wa pete, na atomi ya chuma kwa covalently amefungwa kwa heme katikati ya kila subunit. Kufungwa kwa molekuli ya kwanza ya oksijeni husababisha mabadiliko ya kimapenzi katika hemoglobin ambayo inaruhusu molekuli ya pili ya oksijeni kumfunga kwa urahisi zaidi. Kama kila molekuli ya oksijeni imefungwa, inawezesha zaidi kumfunga kwa molekuli inayofuata, mpaka maeneo yote ya heme nne yamechukuliwa na oksijeni. Kinyume chake hutokea pia: Baada ya molekuli ya kwanza ya oksijeni dissociates na “imeshuka” kwenye tishu, molekuli ya oksijeni inayofuata hutenganisha kwa urahisi zaidi. Wakati maeneo yote manne ya heme yamefanyika, hemoglobin inasemekana imejaa. Wakati sehemu moja hadi tatu za heme zinachukuliwa, hemoglobin inasemekana kuwa imejaa sehemu. Kwa hiyo, wakati wa kuzingatia damu kwa ujumla, asilimia ya vitengo vya heme vinavyopatikana ambavyo vinafungwa na oksijeni kwa wakati fulani huitwa kueneza kwa hemoglobin. Kueneza kwa hemoglobin ya asilimia 100 inamaanisha kwamba kila kitengo cha heme katika erythrocytes zote za mwili kinafungwa na oksijeni. Katika mtu mwenye afya na viwango vya kawaida vya hemoglobin, kueneza kwa hemoglobin kwa ujumla huanzia asilimia 95 hadi asilimia 99.

Uharibifu wa oksijeni kutoka kwa Hemoglobin

Shinikizo la sehemu ni kipengele muhimu cha kumfunga oksijeni na kuondokana na heme. Oxygeni-hemoglobin dissociation Curve ni grafu inayoelezea uhusiano wa shinikizo sehemu kwa kisheria ya oksijeni kwa heme na dissociation yake baadae kutoka heme (Kielelezo 22.26). Kumbuka kwamba gesi husafiri kutoka eneo la shinikizo la sehemu kubwa hadi eneo la shinikizo la chini la sehemu. Aidha, mshikamano wa molekuli ya oksijeni kwa heme huongezeka kama molekuli nyingi za oksijeni zimefungwa. Kwa hiyo, katika oksijeni-hemoglobin kueneza Curve, kama shinikizo sehemu ya ongezeko la oksijeni, idadi kubwa ya molekuli oksijeni ni amefungwa na heme. Haishangazi, oksijeni-hemoglobin kueneza Curve/dissociation pia inaonyesha kwamba chini shinikizo sehemu ya oksijeni, wachache oksijeni molekuli ni wajibu wa heme. Matokeo yake, sehemu ya shinikizo la oksijeni ina jukumu kubwa katika kuamua kiwango cha kumfunga oksijeni kwa heme kwenye tovuti ya utando wa kupumua, pamoja na kiwango cha dissociation ya oksijeni kutoka heme kwenye tovuti ya tishu za mwili.

Kielelezo 22.26 Oxygen-Hemoglobin Dissociation na madhara ya pH na Joto Grafu hizi tatu zinaonyesha (a) uhusiano kati ya shinikizo sehemu ya oksijeni na hemoglobin kueneza, (b) athari za pH juu ya oksijeni-hemoglobin dissociation Curve, na (c) athari za joto juu ya oksijeni-hemoglobin dissociation Curve.

Njia za nyuma ya curve ya oksijeni-hemoglobin ya kueneza/dissociation pia hutumika kama taratibu za kudhibiti moja kwa moja zinazodhibiti kiasi gani cha oksijeni kinachotolewa kwa tishu tofauti katika mwili. Hii ni muhimu kwa sababu baadhi ya tishu zina kiwango cha juu cha metabolic kuliko wengine. Tishu zenye kazi, kama vile misuli, hutumia oksijeni haraka kuzalisha ATP, kupunguza shinikizo la sehemu ya oksijeni katika tishu hadi karibu 20 mm Hg. Shinikizo la sehemu ya oksijeni ndani ya capillaries ni karibu 100 mm Hg, hivyo tofauti kati ya mbili inakuwa ya juu kabisa, kuhusu 80 mm Hg. Matokeo yake, idadi kubwa ya molekuli za oksijeni hutengana na hemoglobin na kuingia tishu. Reverse ni kweli ya tishu, kama vile adipose (mafuta ya mwili), ambayo yana viwango vya chini vya metabolic. Kwa sababu oksijeni kidogo hutumiwa na seli hizi, shinikizo la sehemu ya oksijeni ndani ya tishu hizo hubakia juu kiasi, na kusababisha molekuli chache za oksijeni zinazojitenga na hemoglobin na kuingia kwenye maji ya tishu. Ingawa damu ya vena inasemekana kuwa deoxygenated, oksijeni fulani bado imefungwa kwa hemoglobin katika seli zake nyekundu za damu. Hii hutoa hifadhi ya oksijeni ambayo inaweza kutumika wakati tishu ghafla zinahitaji oksijeni zaidi.

Mambo mengine zaidi ya shinikizo la sehemu pia huathiri oksijeni-hemoglobin kueneza Curve/dissociation. Kwa mfano, joto la juu linalenga hemoglobin na oksijeni ili kuondokana na kasi, wakati joto la chini linazuia kujitenga (angalia Mchoro 22.26, katikati). Hata hivyo, mwili wa mwanadamu unasimamia joto, hivyo jambo hili haliwezi kuathiri kubadilishana gesi katika mwili wote. Mbali na hii ni katika tishu zenye kazi, ambazo zinaweza kutolewa kiasi kikubwa cha nishati kuliko kinachotolewa kama joto. Matokeo yake, oksijeni hutenganisha kwa urahisi kutoka kwa hemoglobin, ambayo ni utaratibu unaosaidia kutoa tishu zinazofanya kazi na oksijeni zaidi.

Homoni fulani, kama vile androjeni, epinephrine, homoni za tezi, na ukuaji wa homoni, zinaweza kuathiri oksijeni-hemoglobin kueneza Curve/disassociation Curve kwa kuchochea uzalishaji wa kiwanja kinachoitwa 2,3-bisphosphoglycerate (BPG) na erythrositi. BPG ni matokeo ya glycolysis. Kwa sababu erythrocytes hazina mitochondria, glycolysis ni njia pekee ambayo seli hizi zinazalisha ATP. BPG inakuza upungufu wa oksijeni kutoka kwa hemoglobin. Kwa hiyo, mkusanyiko mkubwa wa BPG, oksijeni ya urahisi hutengana na hemoglobin, licha ya shinikizo lake la sehemu.

PH ya damu ni sababu nyingine ambayo huathiri oksijeni-hemoglobin kuenezwa/dissociation Curve (angalia Mchoro 22.26). Athari ya Bohr ni jambo linalojitokeza kutokana na uhusiano kati ya ushirika wa pH na oksijeni kwa hemoglobin: pH ya chini, zaidi ya tindikali inakuza dissociation ya oksijeni kutoka hemoglo Kwa upande mwingine, juu, au zaidi ya msingi, pH inhibitisha dissociation oksijeni kutoka hemoglobin. Kiasi kikubwa cha dioksidi kaboni katika damu, molekuli zaidi ambayo inapaswa kubadilishwa, ambayo kwa upande huzalisha ions hidrojeni na hivyo hupunguza pH ya damu. Zaidi ya hayo, damu pH inaweza kuwa zaidi tindikali wakati byproducts fulani ya kimetaboliki kiini, kama vile asidi lactic, asidi kaboni, na dioksidi kaboni, ni iliyotolewa katika mfumo wa damu.

Hemoglobin ya Fetusi

Fetusi ina mzunguko wake mwenyewe na erythrocytes yake mwenyewe; hata hivyo, inategemea mtu mjamzito kwa oksijeni. Damu hutolewa kwa fetusi kwa njia ya kamba ya umbilical, ambayo imeunganishwa na placenta na kutengwa na damu ya uzazi na chorion. Utaratibu wa kubadilishana gesi kwenye chorion ni sawa na kubadilishana gesi kwenye membrane ya kupumua. Hata hivyo, shinikizo la sehemu ya oksijeni ni ya chini katika damu ya uzazi katika placenta, saa 35 hadi 50 mm Hg, kuliko ilivyo katika damu ya uzazi. Tofauti katika shinikizo la sehemu kati ya damu ya uzazi na fetasi si kubwa, kama shinikizo la sehemu ya oksijeni katika damu ya fetasi kwenye placenta ni karibu 20 mm Hg. Kwa hiyo, hakuna usambazaji mkubwa wa oksijeni katika utoaji wa damu ya fetasi. Hemoglobin ya fetusi inashinda tatizo hili kwa kuwa na mshikamano mkubwa wa oksijeni kuliko hemoglobin ya uzazi (Kielelezo 22.27). Hemoglobini ya kijusi na ya watu wazima huwa na subunits nne, lakini sehemu mbili za hemoglobin ya fetasi zina muundo tofauti unaosababisha hemoglobin ya fetasi kuwa na mshikamano mkubwa zaidi kwa oksijeni kuliko hemoglobin ya watu wazima.

Kielelezo 22.27 Oxygen-hemoglobin Dissociation Curves katika Fetusi na Watu wazima Fetal hemoglobin ina mshikamano mkubwa kwa oksijeni kuliko

Carbon Dioxide Usafiri katika damu

Dioksidi kaboni husafirishwa na taratibu tatu kuu. Utaratibu wa kwanza wa usafiri wa dioksidi kaboni ni kwa plasma ya damu, kama baadhi ya molekuli ya dioksidi kaboni hupasuka katika damu Utaratibu wa pili ni usafiri kwa njia ya bicarbonate (HCO ₃ ^—), ambayo pia hupasuka katika plasma. Utaratibu wa tatu wa usafiri wa dioksidi kaboni ni sawa na usafiri wa oksijeni na erythrocytes (Mchoro 22.28).

Kielelezo 22.28 Carbon Dioxide Usafiri Dioksidi kaboni ni kusafirishwa kwa njia tatu tofauti: (a) katika erythrocytes; (b) baada ya kutengeneza asidi kaboni (H ₂ CO ₃), ambayo ni kufutwa katika plasma; (c) na katika plasma.

Dioksidi kaboni

Ingawa dioksidi kaboni haionekani kuwa mumunyifu sana katika damu, sehemu ndogo—takriban asilimia 7 hadi 10—ya dioksidi kaboni inayotengana ndani ya damu kutoka tishu hutengana katika plasma. Dioksidi kaboni iliyovunjwa kisha husafiri katika damu na wakati damu inapofikia capillaries ya pulmona, dioksidi kaboni iliyovunjwa huenea kwenye utando wa kupumua ndani ya alveoli, ambapo hutolewa wakati wa uingizaji hewa wa mapafu.

Buffer ya Bicarbonate

Sehemu kubwa-takriban asilimia 70-ya molekuli za dioksidi kaboni zinazoenea ndani ya damu husafirishwa kwenye mapafu kama bicarbonate. Bicarbonate nyingi huzalishwa katika erythrocytes baada ya dioksidi kaboni huenea ndani ya capillaries, na hatimaye kuwa seli nyekundu za damu. Anhydrase ya kaboni (CA) husababisha dioksidi kaboni na maji kuunda asidi kaboni (H ₂ CO ₃), ambayo hutenganisha kuwa ioni mbili: bicarbonate (HCO ₃ ^—) na hidrojeni (H ⁺). Fomu ifuatayo inaonyesha majibu haya:

$${\text{USHIRIKIANO}}_{\text{2}}{\text{+ H}}_{\text{2}}{\text{O}}^{\underleftrightarrow{\text{CA}}}{\text{H}}_{\text{2}}{\text{USHIRIKIANO}}_{\text{3}}\leftrightarrow {\text{H}}^{\text{+}}{\text{+ HCO}}_{3-}$$

Bicarbonate huelekea kujenga katika erythrocytes, ili kuna mkusanyiko mkubwa wa bicarbonate katika erythrocytes kuliko kwenye plasma ya damu inayozunguka. Matokeo yake, baadhi ya bicarbonate itaondoka kwenye erythrocytes na kusonga chini ya mkusanyiko wake kwenye plasma badala ya ions ya kloridi (Cl ^-). Jambo hili linajulikana kama mabadiliko ya kloridi na hutokea kwa sababu kwa kubadilishana ioni moja hasi kwa ioni nyingine hasi, wala malipo ya umeme ya erythrocytes wala yale ya damu hayabadilishwa.

Katika capillaries ya pulmona, mmenyuko wa kemikali uliozalisha bicarbonate (umeonyeshwa hapo juu) hubadilishwa, na dioksidi kaboni na maji ni bidhaa. Mengi ya bicarbonate katika plasma huingia tena erythrocytes badala ya ions kloridi. Ioni za hidrojeni na ions za bicarbonate hujiunga na kuunda asidi kaboni, ambayo inabadilishwa kuwa dioksidi kaboni na maji na anhydrase ya kaboni. Dioksidi ya kaboni hutengana nje ya erythrocytes na ndani ya plasma, ambapo inaweza kuenea zaidi kwenye utando wa kupumua ndani ya alveoli ili kutolewa wakati wa uingizaji hewa wa pulmona.

Carbamino hemoglobin

Takriban asilimia 20 ya dioksidi kaboni hufungwa na hemoglobin na husafirishwa kwenye mapafu. Dioksidi kaboni haina kumfunga kwa chuma kama oksijeni inavyofanya; badala yake, dioksidi kaboni hufunga moieties za amino asidi kwenye sehemu za globin za hemoglobin ili kuunda carbaminohemoglobin, ambayo huunda wakati hemoglobin na dioks Wakati hemoglobin haina kusafirisha oksijeni, inaelekea kuwa na sauti ya bluu-zambarau kwa hiyo, na kujenga rangi nyeusi ya maroon ya kawaida ya damu iliyosababishwa na deoxygenated. Fomu ifuatayo inaonyesha mmenyuko huu unaorekebishwa:

$${\text{USHIRIKIANO}}_{\text{2}}\text{+ Hb}\leftrightarrow {\text{HBCo}}_{\text{2}}$$

Sawa na usafiri wa oksijeni kwa heme, kisheria na dissociation ya dioksidi kaboni na kutoka hemoglobin inategemea shinikizo la sehemu ya dioksidi kaboni. Kwa sababu dioksidi kaboni inatolewa kutoka kwenye mapafu, damu inayoacha mapafu na kufikia tishu za mwili ina shinikizo la sehemu ya chini ya dioksidi kaboni kuliko inapatikana kwenye tishu. Matokeo yake, dioksidi kaboni huacha tishu kwa sababu ya shinikizo lake la juu la sehemu, huingia damu, na kisha huingia kwenye seli nyekundu za damu, zimefungwa kwa hemoglobin. Kwa upande mwingine, katika capillaries ya pulmona, shinikizo la sehemu ya dioksidi kaboni ni kubwa ikilinganishwa na ndani ya alveoli. Matokeo yake, dioksidi kaboni hutenganisha kwa urahisi kutoka kwa hemoglobin na huenea kwenye utando wa kupumua ndani ya hewa.

Mbali na shinikizo la sehemu ya dioksidi kaboni, kueneza oksijeni ya hemoglobin na shinikizo la sehemu ya oksijeni katika damu pia huathiri mshikamano wa hemoglobin kwa dioksidi kaboni. Athari ya Haldane ni jambo linalojitokeza kutokana na uhusiano kati ya shinikizo la sehemu ya oksijeni na mshikamano wa hemoglobin kwa dioksidi kaboni. Hemoglobin iliyojaa oksijeni haina kumfunga kwa urahisi kaboni dioksidi. Hata hivyo, wakati oksijeni haijafungwa na heme na shinikizo la sehemu ya oksijeni ni ndogo, hemoglobin hufunga kwa urahisi kwa dioksidi kaboni.

Interactive Link

Tazama video hii ili uone usafiri wa oksijeni kutoka kwenye mapafu hadi kwenye tishu. Kwa nini damu oksijeni ni nyekundu, ambapo damu deoxygenated huelekea kuwa zaidi ya rangi ya zambarau?