21.9D: Транспорт вуглекислого газу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 70421

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

Цілі навчання

Охарактеризуйте процес транспортування вуглекислого газу

Транспорт вуглекислого газу

Вуглекислий газ є продуктом клітинного дихання, і транспортується з клітин тканин в організмі в альвеоли легенів через кровотік. Вуглекислий газ переноситься в крові трьома різними шляхами.

Близько 5% вуглекислого газу транспортується в плазмі крові у вигляді розчинених молекул СО ₂, які не пов'язані ні з чим іншим. Вуглекислий газ має набагато більшу розчинність, ніж кисень, що пояснює, чому порівняно велика кількість вуглекислого газу розчиняється в плазмі порівняно з киснем. У той час як кисень зв'язується з вмістом заліза в гемі гемоглобіну, вуглекислий газ може зв'язуватися з амінокислотними ланцюгами на гемоглобіні. Коли вуглекислий газ чіпляється за гемоглобін, він утворює карбонімогемоглобін. Близько 10% вуглекислого газу в організмі людини транспортується таким чином. Карбанімогемоглобін надає еритроцитам синюватий колір, що є однією з причин, чому вени, які несуть дезоксигенаційну кров, здаються синіми.

Це кольорова картина будови гемоглобіну. Він зображує гемоглобін у вигляді тетрамера альфа (червоного) і бета (синього) субодиниць з залізовмісними гемовими групами (зелений).

Структура гемоглобіну людини: Гемоглобін - це тетрамер альфа (червоного) і бета (синього) субодиниць з залізосодержащими гемовими групами (зелений).

Властивість гемоглобіну під назвою ефект Халдейна говорить, що дезоксигенізована кров має підвищену здатність переносити вуглекислий газ, тоді як насичена киснем кров має знижену здатність переносити вуглекислий газ.

Ця властивість означає, що гемоглобін в першу чергу буде переносити кисень в системному кровообігу, поки не розвантажить цей кисень і здатний переносити відносно більшу кількість вуглекислого газу. Це пов'язано з підвищеною здатністю дезоксигенізованої крові переносити вуглекислий газ, а також з вуглекислого газу, завантаженого з тканин під час тканинного газообміну.

Бікарбонатні іони

Більшість (85%) вуглекислого газу подорожує в крові як іони бікарбонату. Реакція, яка описує утворення бікарбонатних іонів в крові, така:

\[\ce{CO2 + H2O → H2CO3 → H^{+} + HCO3^{-}}\]

Це означає, що вуглекислий газ реагує з водою з утворенням вугільної кислоти, яка дисоціює в розчині з утворенням іонів водню та бікарбонатних іонів. Основним наслідком цього процесу є те, що рН крові стає способом визначення кількості вуглекислого газу в крові. Це тому, що якщо вуглекислий газ збільшується в організмі, це буде проявлятися підвищеною концентрацією бікарбонату та підвищеною концентрацією іонів водню, які знижують рН крові та роблять кров більш кислою. І навпаки, якщо рівень вуглекислого газу знижується, в крові буде менше бікарбонату і менше розчинених іонів водню, тому рН збільшиться, а кров стане більш основною. Бікарбонатні іони діють як буфер для рН крові, так що рН крові буде нейтральним до тих пір, поки бікарбонат і іони водню збалансовані.

Цей зв'язок пояснює, як пов'язані швидкість вентиляції та хімія крові, оскільки гіпервентиляція спричинить алкалоз, а гіповентиляція спричинить ацидоз через зміни рівня вуглекислого газу, які вони викликають. Бікарбонат також переноситься в рідині тканин, крім кровоносних судин, особливо в дванадцятипалій кишці та кишечнику, тому проблеми в цих органах можуть викликати реакцію дихальної системи.

Транспорт до альвеол

Після того, як вуглекислий газ рухається по кровотоку до капілярів, що покривають альвеоли легенів, за допомогою будь-якого з перерахованих вище 3 методів, він повинен повернутися до розчиненої вуглекислої форми, щоб дифузувати через капіляр в альвеолу. Розчинений вуглекислий газ вже здатний дифузуватися в альвеолу, в той час як зв'язаний з гемоглобіном вуглекислий газ вивантажується в плазму.

Для вуглекислого газу, що зберігається в бікарбонаті, він піддається реверсу реакції. Бікарбонатні іони, розчинені в плазмі, потрапляють в еритроцити шляхом дифузії через градієнт хлорид-іонів (замінюючи хлорид всередині клітини) і поєднуючись з воднем, утворюючи вугільну кислоту.

Далі дія карбоангідрази розщеплює вугільну кислоту вниз на вуглекислий газ у воді, який залишає клітину шляхом дифузії. Розчинений вуглекислий газ потім здатний дифузіроваться в альвеолу.

Ключові моменти

Вуглекислий газ транспортується по кровотоку або розчиненому в крові, зв'язуючи гемоглобін, або перетворюється в бікарбонатні іони.
Ефект Халдейна полягає в зниженому зв'язуванні вуглекислого газу в гемоглобіні внаслідок підвищення рівня кисню і посилення зв'язування вуглекислого газу з гемоглобіном від зниження рівня кисню.
\(\ce{CO2 + H2O → H2CO3 → H^{+} + HCO3^{−}}\)реакція утворення бікарбонату в плазмі.
Підвищений вуглекислий газ означає підвищення кислотності крові і навпаки, тоді як зниження вуглекислого газу означає зниження кислотності крові.
Реакція бікарбонату оборотна, що дозволяє бікарбонату перетворюватися назад у розчинений вуглекислий газ для дифузії з альвеоли.

Ключові умови

еритроцити: тип клітин у крові хребетних, який містить гемоглобін і транспортує кисень з легенів до тканин; еритроцит.
Бікарбонат: Негативно заряджений іон, який накопичується в плазмі, коли вуглекислий газ розчиняється у воді і реагує з ним. Він також діє як буфер для рН крові.
карбоангідрази: фермент, який каталізує реакцію бікарбонату в будь-якому напрямку.