Μεταφορά Οξυγόνου και Αναπνευστικές Χρωστικές

Πώς το αίμα μεταφέρει πολύ περισσότερο οξυγόνο από όσο θα μπορούσε να διαλύσει μόνο το νερό, χρησιμοποιώντας συνεργατικές χρωστικές που δεσμεύουν οξυγόνο στους πνεύμονες ή στα βράγχια και το απελευθερώνουν εκεί όπου οι ιστοί εργάζονται εντονότερα.

Definition

Οι αναπνευστικές χρωστικές είναι μεταλλοπρωτεΐνες που δεσμεύουν αναστρέψιμα το οξυγόνο για να αυξήσουν σημαντικά την ικανότητα μεταφοράς οξυγόνου του αίματος ή της αιμολέμφου, και η μεταφορά οξυγόνου είναι η φόρτωση, μεταφορά και εκφόρτωση οξυγόνου — μαζί με τη μεταφορά διοξειδίου του άνθρακα — μεταξύ της αναπνευστικής επιφάνειας και των ιστών.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τη μεταφορά οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα στο αίμα: τη δομή και τη συνεργατική δέσμευση αναπνευστικών χρωστικών όπως η αιμοσφαιρίνη, η αιμοκυανίνη και άλλες· την σιγμοειδή καμπύλη διάστασης οξυγόνου και πώς μετατοπίζεται από το διοξείδιο του άνθρακα, το pH, τη θερμοκρασία και τους οργανικούς ρυθμιστές· και τη μεταφορά του διοξειδίου του άνθρακα ως διττανθρακικού. Εξετάζει την ποικιλομορφία των χρωστικών σε όλα τα ζώα και την προσαρμογή τους σε διαφορετικά περιβάλλοντα οξυγόνου. Η κάλυψη είναι συγκριτική και μηχανιστική.

Core questions

• Γιατί τα ζώα χρειάζονται χρωστικές δέσμευσης οξυγόνου αντί να βασίζονται στο διαλυμένο οξυγόνο;
• Πώς η συνεργατική δέσμευση διαμορφώνει τη φόρτωση και εκφόρτωση οξυγόνου;
• Πώς το διοξείδιο του άνθρακα, το pH και η θερμοκρασία μετατοπίζουν την καμπύλη διάστασης οξυγόνου, και γιατί αυτό είναι χρήσιμο;
• Πώς μεταφέρεται το διοξείδιο του άνθρακα στο αίμα και ανταλλάσσεται στην αναπνευστική επιφάνεια;

Key theories

Συνεργατική δέσμευση και η σιγμοειδής καμπύλη διάστασης

Οι τέσσερις αλληλεπιδρώσες υπομονάδες της αιμοσφαιρίνης δεσμεύουν συνεργατικά το οξυγόνο, παράγοντας μια σιγμοειδή καμπύλη διάστασης που επιτρέπει σχεδόν κορεσμό όπου το οξυγόνο είναι άφθονο και απότομη εκφόρτωση όπου είναι σπάνιο.

Φαινόμενο Bohr

Το αυξημένο διοξείδιο του άνθρακα και η οξύτητα μειώνουν τη συγγένεια της αιμοσφαιρίνης για το οξυγόνο, μετατοπίζοντας την καμπύλη διάστασης έτσι ώστε το οξυγόνο να απελευθερώνεται πιο εύκολα σε μεταβολικά ενεργούς, πλούσιους σε CO2 ιστούς — περιγράφηκε για πρώτη φορά από τους Bohr, Hasselbalch και Krogh.

Mechanisms

Επειδή το οξυγόνο είναι ελάχιστα διαλυτό, τα ζώα συσκευάζουν αναπνευστικές χρωστικές σε κύτταρα αίματος ή τις διαλύουν στην αιμολέμφο για να πολλαπλασιάσουν την ικανότητα οξυγόνου πολλές φορές. Η αιμοσφαιρίνη των σπονδυλωτών δεσμεύει οξυγόνο σε τέσσερις αίμες σιδήρου με θετική συνεργατικότητα, δίνοντας μια σιγμοειδή καμπύλη. Η θέση της καμπύλης ρυθμίζεται από φυσιολογικούς παράγοντες: το αυξανόμενο διοξείδιο του άνθρακα και το μειωμένο pH μειώνουν τη συγγένεια (το φαινόμενο Bohr), η θέρμανση μειώνει τη συγγένεια, και οι οργανικοί φωσφορικοί εστέρες όπως το 2,3-διφωσφογλυκερικό σταθεροποιούν την αποοξυγονωμένη μορφή. Αυτές οι μετατοπίσεις προάγουν την εκφόρτωση σε ενεργούς ιστούς και τη φόρτωση στην αναπνευστική επιφάνεια. Το διοξείδιο του άνθρακα μεταφέρεται κυρίως ως διττανθρακικό που σχηματίζεται από την καρβονική ανυδράση στα ερυθρά αιμοσφαίρια, με κάποιο να δεσμεύεται στην αιμοσφαιρίνη και λίγο να διαλύεται· το αμοιβαίο φαινόμενο Haldane συνδέει τη μεταφορά CO2 με την οξυγόνωση. Οι χρωστικές των ασπόνδυλων, όπως η αιμοκυανίνη με βάση τον χαλκό και η αιμοερυθρίνη με βάση τον σίδηρο, παρουσιάζουν συγκρίσιμες αλλά διακριτές προσαρμογές.

Clinical relevance

Η συγκριτική φυσιολογία της δέσμευσης οξυγόνου εξηγεί τις προσαρμογές σε μεγάλο υψόμετρο, κατάδυση και υποξικά ύδατα και αποτελεί τη βάση για την ερμηνεία των μετρήσεων οξυγόνου στο αίμα· ενημερώνει επίσης την ανάπτυξη τεχνητών φορέων οξυγόνου. Αυτή η καταχώριση είναι εκπαιδευτική και δεν προσφέρει ιατρικές οδηγίες.

History

Η ανακάλυψη του φαινομένου Bohr από τους Bohr, Hasselbalch και Krogh το 1904 έδειξε ότι η δέσμευση οξυγόνου ρυθμίζεται από το διοξείδιο του άνθρακα, και μεταγενέστερη δομική εργασία από τον Perutz αποκάλυψε πώς η συνεργατικότητα και η αλλοστερική ρύθμιση προκύπτουν από την αρχιτεκτονική της αιμοσφαιρίνης. Η συγκριτική φυσιολογία έχει έκτοτε καταγράψει ένα ευρύ φάσμα αναπνευστικών χρωστικών και τις περιβαλλοντικές τους προσαρμογές.

Key figures

• Christian Bohr
• August Krogh
• Karl Hasselbalch
• Max Perutz

Seminal works

• bohr1904
• hill2016
• schmidtnielsen1997

Frequently asked questions

Τι είναι το φαινόμενο Bohr;

Είναι η μείωση της συγγένειας της αιμοσφαιρίνης για το οξυγόνο όταν αυξάνεται το διοξείδιο του άνθρακα και μειώνεται το pH, γεγονός που βοηθά το αίμα να απελευθερώσει οξυγόνο σε ενεργούς ιστούς όπου είναι πιο απαραίτητο.

Είναι όλες οι χρωστικές που μεταφέρουν οξυγόνο κόκκινες όπως η αιμοσφαιρίνη;

Όχι. Πολλά ασπόνδυλα χρησιμοποιούν αιμοκυανίνη, μια χρωστική με βάση τον χαλκό που είναι γαλαζωπή όταν οξυγονώνεται, και λίγα χρησιμοποιούν άλλες χρωστικές, όλες εξυπηρετώντας τον ίδιο ρόλο της ενίσχυσης της ικανότητας οξυγόνου.