Vận chuyển Oxy và Sắc tố Hô hấp

Cách máu vận chuyển lượng oxy nhiều hơn đáng kể so với lượng nước đơn thuần có thể hòa tan, sử dụng các sắc tố hợp tác để tải oxy tại phổi hoặc mang và giải phóng oxy tại nơi các mô hoạt động mạnh nhất.

Definition

Sắc tố hô hấp là các protein chứa kim loại liên kết oxy một cách thuận nghịch để tăng đáng kể khả năng vận chuyển oxy của máu hoặc dịch bạch huyết, và vận chuyển oxy là quá trình tải, vận chuyển và giải phóng oxy — cùng với vận chuyển carbon dioxide — giữa bề mặt hô hấp và các mô.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự vận chuyển oxy và carbon dioxide trong máu: cấu trúc và sự gắn kết hợp tác của các sắc tố hô hấp như hemoglobin, hemocyanin và các sắc tố khác; đường cong phân ly oxy hình chữ S và cách nó bị dịch chuyển bởi carbon dioxide, pH, nhiệt độ và các chất điều biến hữu cơ; và sự vận chuyển carbon dioxide dưới dạng bicarbonate. Nó đề cập đến sự đa dạng của các sắc tố ở các loài động vật và sự thích nghi của chúng với các môi trường oxy khác nhau. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Tại sao động vật cần các sắc tố liên kết oxy thay vì chỉ dựa vào oxy hòa tan?
• Sự liên kết hợp tác định hình quá trình tải và giải phóng oxy như thế nào?
• Carbon dioxide, pH và nhiệt độ làm dịch chuyển đường cong phân ly oxy như thế nào, và điều đó có ích lợi gì?
• Carbon dioxide được vận chuyển trong máu và trao đổi tại bề mặt hô hấp như thế nào?

Key theories

Liên kết hợp tác và đường cong phân ly hình chữ S

Bốn tiểu đơn vị tương tác của hemoglobin liên kết oxy một cách hợp tác, tạo ra đường cong phân ly hình chữ S cho phép gần bão hòa khi oxy dồi dào và giải phóng mạnh khi oxy khan hiếm.

Hiệu ứng Bohr

Carbon dioxide và độ axit tăng làm giảm ái lực oxy của hemoglobin, làm dịch chuyển đường cong phân ly để oxy được giải phóng dễ dàng hơn ở các mô hoạt động trao đổi chất, giàu CO2 — lần đầu tiên được mô tả bởi Bohr, Hasselbalch và Krogh.

Mechanisms

Vì oxy ít tan, động vật đóng gói các sắc tố hô hấp vào tế bào máu hoặc hòa tan chúng trong dịch bạch huyết để tăng khả năng vận chuyển oxy lên nhiều lần. Hemoglobin của động vật có xương sống liên kết oxy tại bốn nguyên tử sắt heme với tính hợp tác dương, tạo ra đường cong hình chữ S. Vị trí của đường cong được điều chỉnh bởi các yếu tố sinh lý: carbon dioxide tăng và pH giảm làm giảm ái lực (hiệu ứng Bohr), nhiệt độ tăng làm giảm ái lực, và các phosphate hữu cơ như 2,3-bisphosphoglycerate ổn định dạng khử oxy. Những dịch chuyển này thúc đẩy quá trình giải phóng oxy ở các mô hoạt động và tải oxy tại bề mặt hô hấp. Carbon dioxide được vận chuyển chủ yếu dưới dạng bicarbonate được hình thành bởi carbonic anhydrase trong hồng cầu, một phần gắn vào hemoglobin và một ít hòa tan; hiệu ứng Haldane đối ứng liên kết sự vận chuyển CO2 với quá trình oxy hóa. Các sắc tố của động vật không xương sống như hemocyanin gốc đồng và hemerythrin gốc sắt cho thấy những sự thích nghi tương tự nhưng khác biệt.

Clinical relevance

Sinh lý học so sánh về liên kết oxy giải thích sự thích nghi với độ cao, lặn và vùng nước thiếu oxy, đồng thời là cơ sở để giải thích các phép đo oxy trong máu; nó cũng cung cấp thông tin cho việc phát triển các chất mang oxy nhân tạo. Mục này mang tính giáo dục và không đưa ra hướng dẫn y tế.

History

Việc phát hiện ra hiệu ứng Bohr bởi Bohr, Hasselbalch và Krogh vào năm 1904 đã chỉ ra rằng sự liên kết oxy được điều hòa bởi carbon dioxide, và công trình cấu trúc sau này của Perutz đã tiết lộ cách tính hợp tác và điều hòa dị lập thể phát sinh từ kiến trúc của hemoglobin. Sinh lý học so sánh kể từ đó đã phân loại một loạt các sắc tố hô hấp và sự thích nghi môi trường của chúng.

Key figures

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

Seminal works

• bohr1904
• hill2016
• schmidtnielsen1997

Frequently asked questions

Hiệu ứng Bohr là gì?

Đó là sự giảm ái lực oxy của hemoglobin khi carbon dioxide tăng và pH giảm, giúp máu giải phóng oxy ở các mô hoạt động nơi nó cần thiết nhất.

Tất cả các sắc tố vận chuyển oxy có màu đỏ như hemoglobin không?

Không. Nhiều loài động vật không xương sống sử dụng hemocyanin, một sắc tố gốc đồng có màu xanh lam khi được oxy hóa, và một số ít sử dụng các sắc tố khác, tất cả đều phục vụ cùng một vai trò là tăng cường khả năng vận chuyển oxy.