39.4: Usafiri wa Gesi katika Maji ya Mwili wa Binadamu

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza jinsi oksijeni inavyofungwa na hemoglobin na kusafirishwa kwenye tishu za mwili
• Eleza jinsi dioksidi kaboni inavyosafirishwa kutoka tishu za mwili hadi kwenye mapafu

Mara baada ya oksijeni kuenea katika alveoli, inaingia kwenye damu na husafirishwa hadi tishu ambako inafunguliwa, na dioksidi kaboni huenea nje ya damu na ndani ya alveoli ili kufukuzwa mwilini. Ingawa kubadilishana gesi ni mchakato unaoendelea, oksijeni na dioksidi kaboni husafirishwa kwa njia tofauti.

Usafiri wa Oksijeni katika Damu

Ingawa oksijeni hupasuka katika damu, kiasi kidogo cha oksijeni kinatumwa kwa njia hii. Asilimia 1.5 tu ya oksijeni katika damu hupasuka moja kwa moja ndani ya damu yenyewe. Wengi oksijeni-asilimia 98.5—ni amefungwa na protini iitwayo hemoglobin na kubeba kwa tishu.

himoglobin

Hemoglobin, au Hb, ni molekuli ya protini inayopatikana katika seli nyekundu za damu (erythrocytes) iliyofanywa na subunits nne: subunits mbili za alpha na subunits mbili za beta (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kila subunit huzunguka kikundi cha heme cha kati ambacho kina chuma na kumfunga molekuli moja ya oksijeni, kuruhusu kila molekuli ya hemoglobin kumfunga molekuli nne za oksijeni. Molekuli zilizo na oksijeni zaidi zinazofungwa kwa makundi ya heme ni nyekundu zaidi. Matokeo yake, damu ya ateri yenye oksijeni ambako Hb inabeba molekuli nne za oksijeni ni nyekundu, huku damu ya vena ambayo ni deoxygenated ni nyekundu nyeusi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Protini ndani (a) seli nyekundu za damu ambazo hubeba oksijeni kwa seli na dioksidi kaboni kwenye mapafu ni (b) hemoglobin. Hemoglobin imeundwa na subunits nne za usawa na vikundi vinne vya heme. Iron inayohusishwa na heme hufunga oksijeni. Ni chuma katika hemoglobin ambayo inatoa damu rangi yake nyekundu.

Ni rahisi kumfunga molekuli ya pili na ya tatu ya oksijeni kwa Hb kuliko molekuli ya kwanza. Hii ni kwa sababu molekuli ya hemoglobin inabadilisha sura yake, au conformation, kama oksijeni hufunga. Oksijeni ya nne ni vigumu zaidi kumfunga. Kufungwa kwa oksijeni kwa hemoglobin inaweza kupangwa kama kazi ya shinikizo la sehemu ya oksijeni katika damu (x-axis) dhidi ya kueneza kwa HB-oksijeni (y-axis). Graph kusababisha - oksijeni dissociation Curve -ni sigmoidal, au S-umbo (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Kama shinikizo la sehemu ya oksijeni huongezeka, hemoglobin inazidi kujazwa na oksijeni.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Curve ya dissociation ya oksijeni inaonyesha kwamba, kama shinikizo la sehemu ya oksijeni huongezeka, oksijeni zaidi hufunga hemoglobin. Hata hivyo, mshikamano wa hemoglobin kwa oksijeni unaweza kuhama upande wa kushoto au kulia kulingana na hali ya mazingira.

Figo ni wajibu wa kuondoa ziada H ⁺ ions kutoka damu. Ikiwa figo zinashindwa, ni nini kitatokea kwa pH ya damu na ushirika wa hemoglobin kwa oksijeni?

Mambo yanayoathiri oksijeni Binding

Uwezo wa oksijeni wa hemoglobin huamua kiasi gani cha oksijeni kinachukuliwa katika damu. Mbali na hayo\(\text{P}_{\text{O}_2}\), mambo mengine ya mazingira na magonjwa yanaweza kuathiri uwezo wa kubeba oksijeni na utoaji.

Viwango vya dioksidi kaboni, pH ya damu, na joto la mwili huathiri uwezo wa kubeba oksijeni (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Wakati dioksidi kaboni iko katika damu, inachukua maji ili kuunda bicarbonate (\(\text{HCO}_3^-\)) na ions hidrojeni (H ⁺). Kama kiwango cha dioksidi kaboni katika damu kinaongezeka, zaidi H ⁺ huzalishwa na pH inapungua. Ongezeko hili la dioksidi kaboni na kupungua kwa pH baadae hupunguza ushirika wa hemoglobin kwa oksijeni. Oxyjeni hutengana na molekuli ya Hb, na kugeuza safu ya dissociation ya oksijeni kwa haki. Kwa hiyo, oksijeni zaidi inahitajika kufikia kiwango sawa cha kueneza hemoglobin kama wakati pH ilikuwa ya juu. Mabadiliko sawa katika pembe pia yanatokana na ongezeko la joto la mwili. Kuongezeka kwa joto, kama vile kuongezeka kwa shughuli za misuli ya mifupa, husababisha mshikamano wa hemoglobin kwa oksijeni kupunguzwa.

Magonjwa kama anemia ya seli mundu na thalassemia hupunguza uwezo wa damu kutoa oksijeni kwa tishu na uwezo wake wa kubeba oksijeni. Katika anemia ya seli ya mundu, sura ya seli nyekundu ya damu ni umbo la crescent, limeenea, na imara, kupunguza uwezo wake wa kutoa oksijeni (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Kwa fomu hii, seli nyekundu za damu haziwezi kupita kwenye kapilari. Hii ni chungu wakati inatokea. Thalassemia ni ugonjwa wa kawaida wa maumbile unaosababishwa na kasoro katika ama alpha au subunit ya beta ya Hb. Wagonjwa wenye thalassemia huzalisha idadi kubwa ya seli nyekundu za damu, lakini seli hizi zina viwango vya chini kuliko vya kawaida vya hemoglobin. Kwa hiyo, uwezo wa kubeba oksijeni umepungua.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Watu wenye anemia ya seli ya mundu wana seli nyekundu za damu zenye umbo la crescent. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Ed Uthman; data ya kiwango cha bar kutoka Matt Russell)

Usafiri wa Dioksidi kaboni katika Damu

Molekuli ya dioksidi kaboni husafirishwa katika damu kutoka tishu za mwili hadi kwenye mapafu kwa njia moja ya tatu: kuvunjwa moja kwa moja ndani ya damu, kumfunga kwa hemoglobin, au kubeba kama ioni ya bicarbonate. Mali kadhaa ya dioksidi kaboni katika damu huathiri usafiri wake. Kwanza, dioksidi kaboni ni mumunyifu zaidi katika damu kuliko oksijeni. Kuhusu asilimia 5 hadi 7 ya dioksidi kaboni yote hupasuka kwenye plasma. Pili, dioksidi kaboni inaweza kumfunga kwa protini za plasma au inaweza kuingia seli nyekundu za damu na kumfunga kwa hemoglobin. Fomu hii husafirisha asilimia 10 ya dioksidi kaboni. Wakati dioksidi kaboni inafunga kwa hemoglobin, molekuli inayoitwa carbaminohemoglobin inaundwa. Kufungwa kwa dioksidi kaboni kwa hemoglobin ni kubadilishwa Kwa hiyo, inapofikia mapafu, dioksidi kaboni inaweza kujitenga kwa uhuru kutoka kwa hemoglobin na kufukuzwa kutoka kwenye mwili.

Tatu, wengi wa molekuli ya dioksidi kaboni (asilimia 85) hufanywa kama sehemu ya mfumo wa buffer ya bicarbonate. Katika mfumo huu, dioksidi kaboni huenea ndani ya seli nyekundu za damu. Anhydrase ya kaboni (CA) ndani ya seli nyekundu za damu hubadilisha haraka dioksidi kaboni ndani ya asidi kaboni (H ₂ CO ₃). Asidi ya kaboni ni molekuli ya kati isiyo imara ambayo mara moja hutenganisha katika ions za bicarbonate (\(\text{HCO}_3^-\)) na hidrojeni (H ⁺) ions. Kwa kuwa dioksidi kaboni inabadilishwa haraka kuwa ioni za bicarbonate, mmenyuko huu unaruhusu kuendelea kwa matumizi ya dioksidi kaboni ndani ya damu chini ya ukolezi wake wa ukolezi. Pia husababisha uzalishaji wa H ⁺ ions. Ikiwa H ⁺ nyingi huzalishwa, inaweza kubadilisha pH ya damu. Hata hivyo, hemoglobin hufunga kwa bure H ⁺ ions na hivyo mipaka mabadiliko katika pH. Ioni mpya ya synthesized ya bicarbonate inatumwa nje ya seli nyekundu ya damu ndani ya sehemu ya kioevu ya damu badala ya ion ya kloridi (Cl ^-); hii inaitwa mabadiliko ya kloridi. Wakati damu inakaribia mapafu, ioni ya bicarbonate inatumwa tena kwenye seli nyekundu ya damu badala ya ioni ya kloridi. Ioni H ⁺ hutengana na hemoglobin na hufunga kwa ioni ya bicarbonate. Hii inazalisha kati ya asidi ya kaboni, ambayo inabadilishwa tena kuwa dioksidi kaboni kupitia hatua ya enzymatic ya CA. Dioksidi kaboni zinazozalishwa hufukuzwa kupitia mapafu wakati wa kutolea nje.

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

Faida ya mfumo wa buffer ya bicarbonate ni kwamba dioksidi kaboni “imeingizwa” ndani ya damu na mabadiliko kidogo kwa pH ya mfumo. Hii ni muhimu kwa sababu inachukua mabadiliko madogo tu katika pH jumla ya mwili kwa kuumia kali au kifo kusababisha. Uwepo wa mfumo huu wa buffer wa bicarbonate pia inaruhusu watu kusafiri na kuishi katika urefu wa juu: Wakati shinikizo la sehemu ya oksijeni na dioksidi kaboni hubadilika kwenye urefu wa juu, mfumo wa bicarbonate buffer unasimamia kudhibiti dioksidi kaboni wakati wa kudumisha pH sahihi katika mwili.

Monoxide ya kaboni

Wakati dioksidi kaboni inaweza kujiunga kwa urahisi na kujitenga na hemoglobin, molekuli nyingine kama vile monoksidi kaboni (CO) haziwezi. Monoxide ya kaboni ina mshikamano mkubwa kwa hemoglobin kuliko oksijeni. Kwa hiyo, wakati monoxide ya kaboni iko, inafunga kwa hemoglobin kwa upendeleo juu ya oksijeni. Matokeo yake, oksijeni haiwezi kumfunga kwa hemoglobin, hivyo oksijeni kidogo sana husafirishwa kupitia mwili (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Monoxide ya kaboni ni gesi isiyo na rangi, isiyo na harufu na hivyo ni vigumu kuchunguza. Ni zinazozalishwa na magari na vifaa vya gesi. Monoksidi ya kaboni inaweza kusababisha maumivu ya kichwa, kuchanganyikiwa, na kichefuchefu; mfiduo wa muda mrefu unaweza kusababisha uharibifu wa ubongo au kifo. Kusimamia asilimia 100 (safi) oksijeni ni matibabu ya kawaida ya sumu ya monoxide ya kaboni. Utawala wa oksijeni safi huongeza kasi ya kujitenga kwa monoxide kaboni kutoka hemoglobin.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kama asilimia CO inavyoongezeka, kueneza kwa oksijeni ya hemoglobin hupungua.

Muhtasari

Hemoglobini ni protini inayopatikana katika seli nyekundu za damu ambayo inajumuisha subunits mbili za alpha na mbili za beta zinazozunguka kikundi cha heme kilicho na chuma. Oksijeni hufunga kwa urahisi kikundi hiki cha heme. Uwezo wa oksijeni wa kumfunga huongezeka kadiri molekuli nyingi za oksijeni zinafungwa kwa heme. Majimbo ya magonjwa na hali zilizobadilishwa katika mwili zinaweza kuathiri uwezo wa kumfunga wa oksijeni, na kuongeza au kupunguza uwezo wake wa kujitenga na hemoglobin.

Dioksidi kaboni inaweza kusafirishwa kupitia damu kupitia njia tatu. Ni kufutwa moja kwa moja katika damu, amefungwa kwa protini za plasma au hemoglobin, au kubadilishwa kuwa bicarbonate. Wengi wa dioksidi kaboni husafirishwa kama sehemu ya mfumo wa bicarbonate. Dioksidi ya kaboni inatofautiana katika seli nyekundu za damu. Ndani, anhydrase ya kaboni hubadilisha dioksidi kaboni ndani ya asidi ya kaboni (H ₂ CO ₃), ambayo hatimaye hidrolisisi katika bicarbonate (\(\text{HCO}_3^-\)) na H ⁺. Ioni H ⁺ hufunga kwa hemoglobin katika seli nyekundu za damu, na bicarbonate husafirishwa nje ya seli nyekundu za damu badala ya ioni ya kloridi. Hii inaitwa mabadiliko ya kloridi. Bicarbonate huacha seli nyekundu za damu na huingia kwenye plasma ya damu. Katika mapafu, bicarbonate hupelekwa tena kwenye seli nyekundu za damu badala ya kloridi. H ⁺ hutenganisha na hemoglobin na inachanganya na bicarbonate kuunda asidi kaboni kwa msaada wa anhydrase ya kaboni, ambayo huchochea zaidi mmenyuko wa kubadilisha asidi kaboni tena ndani ya dioksidi kaboni na maji. Dioksidi kaboni hufukuzwa kutoka kwenye mapafu.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Figo ni wajibu wa kuondoa ziada H ⁺ ions kutoka damu. Ikiwa figo zinashindwa, ni nini kitatokea kwa pH ya damu na ushirika wa hemoglobin kwa oksijeni?

Jibu

PH ya damu itashuka na ushirika wa hemoglobin kwa oksijeni utapungua.

faharasa

bicarbonate mfumo buffer

mfumo katika damu ambayo inachukua dioksidi kaboni na inasimamia viwango vya pH

bicarbonate (\(\text{HCO}_3^-\)) ioni

ioni imeundwa wakati asidi ya kaboni ikitengana ndani ya H ⁺ na\((\ce{HCO3-})\)

carbamino hemoglobin

molekuli kwamba fomu wakati dioksidi kaboni kumfunga kwa hemoglo

anhydrase ya kaboni (CA)

enzyme kwamba catalyzes dioksidi kaboni na maji ndani ya asidi kaboni

kloridi kuhama

hidrojeni kuhama kubadilishana ya kloridi kwa bicarbonate ndani au nje ya seli nyekundu za damu

kikundi cha heme

kikundi cha chuma kilicho na chuma ambacho kinazungukwa na subunits ya alpha na beta ya hemoglobin

himoglobini

molekuli katika seli nyekundu za damu ambayo inaweza kumfunga oksijeni, dioksidi kaboni, na monoxide kaboni

uwezo wa kubeba oksijeni

kiasi cha oksijeni ambayo inaweza kusafirishwa katika damu

oksijeni dissociation curve

curve inayoonyesha mshikamano wa oksijeni kwa hemoglobin

anemia ya seli mundu

ugonjwa wa maumbile unaoathiri sura ya seli nyekundu za damu, na uwezo wao wa kusafirisha oksijeni na kuhamia kupitia capillaries

thalassemia

ugonjwa wa kawaida wa maumbile unaosababisha mabadiliko ya subunits ya alpha au beta ya hemoglobin, na kujenga seli ndogo za damu nyekundu na hemoglobin ndogo