2222 Öndunarkerfið

22.5 Flutningur lofttegunda

Námsmarkmið

Að loknum þessum hluta áttu að geta:

Lýst meginreglum súrefnisflutnings
Lýst byggingu blóðrauða
Borið saman blóðrauða fósturs og fullorðinna
Lýst meginreglum koltvíoxíðflutnings

Loftskipti eru annað meginverkefni lungna ásamt loftun þeirra. Þau sjá frumum líkamans fyrir súrefni til frumuöndunar og fjarlægja koltvíoxíð sem myndast við oxandi efnaskipti. Til þess þurfa báðar lofttegundirnar að flytjast milli lungna og vefja. Koltvíoxíð er leysanlegra í blóði en súrefni, en aðeins lítill hluti hvorrar lofttegundar flyst einfaldlega uppleystur; mest súrefni binst blóðrauða og mest koltvíoxíð flyst sem bíkarbónat eða bundið próteinum.

Flutningur súrefnis í blóði

Súrefni leysist illa í vökva. Lítið magn þess leysist í blóðvökva og flyst þannig, en það er aðeins um 1,5 prósent af heildarsúrefninu. Langmest súrefni flyst frá lungum til vefja með rauðkornum. Rauðkorn innihalda málmpróteinið blóðrauða sem bindur súrefni (mynd 22.25). Hver blóðrauðasameind er úr fjórum globínundireiningum og hver þeirra umlykur járninnihaldandi hemhóp. Járnið er Fe²⁺-jón sem tengist fjórum köfnunarefnisatómum porfýrínhringsins, einni histidínleif globíns og, þegar súrefni er bundið, súrefnissameind. Ein blóðrauðasameind getur því borið allt að fjórar súrefnissameindir. Súrefni flæðir úr lungnablöðru yfir öndunarhimnuna, leysist fyrst í blóðvökva, fer inn í rauðkorn og binst blóðrauða. Við það myndast oxýblóðrauði (HbO₂) sem stuðlar að skærrauðum lit súrefnisríks blóðs.

{Hb + O}_{2} \leftrightarrow Hb O_{2}

Í jöfnunni táknar Hb deoxýblóðrauða, það er blóðrauða án bundins súrefnis. Binding súrefnis við hem og losun þess eru afturkræf og ráðast meðal annars af hlutþrýstingi súrefnis, samvirkni undireininganna, sýrustigi, koltvíoxíði, hitastigi og 2,3-bisfosfóglýserati (2,3-BPG).

Myndin sýnir rautt blóðkorn og byggingu blóðrauðasameindar með fjórum globínundireiningum og hemhópum. — **Mynd 22.25.** Blóðrauði er gerður úr fjórum globínundireiningum sem hver umlykur einn járninnihaldandi hemhóp.

Starfsemi blóðrauða

Blóðrauði hefur fjórstigsbyggingu úr fjórum globínundireiningum. Í hverri undireiningu liggur hemhópur í vasa próteinsins. Fe²⁺-jón hems tengist fjórum köfnunarefnisatómum porfýrínhringsins og einni histidínleif globíns, en súrefni binst sjötta tengisetinu afturkræft. Binding fyrstu súrefnissameindarinnar breytir lögun blóðrauðans og eykur sækni hinna undireininganna; þetta nefnist jákvæð samvirkni. Losun fyrstu súrefnissameindarinnar auðveldar á sama hátt frekari losun. Þegar öll fjögur bindisetin eru setin er sameindin fullmettuð en annars hlutmettuð. Súrefnismettun blóðrauða er hlutfall tiltækra bindiseta sem bera súrefni í tilteknu blóðsýni. Gildið 100 prósent lýsir fullri mettun allra mælanlegra, starfhæfra bindiseta í sýninu en er ekki stöðugt gildi alls blóðs í líkamanum. Hjá heilbrigðum einstaklingi við sjávarmál er súrefnismettun slagæðablóðs oft um 95–99 prósent, en viðmiðun og mæling ráðast af aðstæðum.

Losun súrefnis frá blóðrauða

Hlutþrýstingur súrefnis ræður miklu um bindingu þess við hem og losun frá því. Súrefnissundrunarkúrfa sýnir samband hlutþrýstings súrefnis og mettunar blóðrauða (mynd 22.26). Súrefni flæðir frá hærri hlutþrýstingi að lægri. Vegna samvirkni eykst sækni blóðrauða þegar fyrstu súrefnissameindirnar bindast og kúrvan verður S-laga. Við hækkandi hlutþrýsting bindst hlutfallslega meira súrefni uns efri flötur kúrfunnar nálgast fulla mettun. Sama súrefnissundrunarkúrfa sýnir að við lægri hlutþrýsting minnkar mettunin og súrefni losnar auðveldar. Hár hlutþrýstingur við öndunarhimnuna styður því upptöku en lægri hlutþrýstingur í vefjum styður losun.

Efra línuritið sýnir súrefnismettun á y-ás og hlutþrýsting súrefnis á x-ás. S-laga kúrvan rís hratt á miðbilinu og flatar út við háan hlutþrýsting. — **Mynd 22.26.** Línuritin sýna (a) samband hlutþrýstings súrefnis og mettunar blóðrauða, (b) áhrif sýrustigs á súrefnissundrunarkúrfuna og (c) áhrif hitastigs á hana.

Miðlínuritið sýnir súrefnismettun sem fall af hlutþrýstingi súrefnis við mismunandi sýrustig. — **Mynd 22.26.** Línuritin sýna (a) samband hlutþrýstings súrefnis og mettunar blóðrauða, (b) áhrif sýrustigs á súrefnissundrunarkúrfuna og (c) áhrif hitastigs á hana.

Súrefnissundrunarkúrfan hjálpar til við að skýra hvernig súrefnislosun lagast að efnaskiptaþörf vefja. Virkir vefir nota súrefni hratt og hlutþrýstingur þess í millifrumuvökva getur lækkað niður í um 20 mmHg eða neðar. Slagæðablóð við upphaf háræðanets getur haft hlutþrýsting nálægt 100 mmHg, en hann lækkar eftir háræðinni þegar súrefni flæðir út; stigullinn er því ekki fastur 80 mmHg. Lágur vefjaþrýstingur ásamt hærra hitastigi, meira koltvíoxíði og lægra sýrustigi ýtir undir losun súrefnis frá blóðrauða. Í minna virkum vefjum er súrefnisnotkun minni og minna súrefni losnar að öðru jöfnu. Svokallað súrefnissnautt bláæðablóð er þó enn með verulegt magn súrefnis bundið blóðrauða; það myndar varaforða sem nýtist þegar súrefnisþörf eykst skyndilega.

Aðrir þættir en hlutþrýstingur hliðra súrefnissundrunarkúrfunni. Hærra hitastig minnkar sækni blóðrauða í súrefni og hliðrar kúrfunni til hægri, en lægra hitastig hliðrar henni til vinstri (sjá mynd 22.26c). Kjarnhiti líkamans er yfirleitt vandlega stjórnaður, en staðbundið hitastig getur hækkað í mjög virkum vöðvum. Sú breyting ásamt öðrum efnaskiptaþáttum auðveldar súrefnislosun þar sem þörfin er mest.

Rauðkorn mynda 2,3-bisfosfóglýserat (2,3-BPG) í Rapoport–Luebering-hliðargrein glýkólýsu. Rauðkorn hafa enga hvatbera og mynda því ATP sitt með glýkólýsu, en 2,3-BPG er stýriefni súrefnisbindingar fremur en úrgangsefni. Það binst einkum deoxýblóðrauða, stöðgar lágsækniform hans, hliðrar súrefnissundrunarkúrfunni til hægri og auðveldar súrefnislosun. Styrkur 2,3-BPG getur meðal annars aukist við langvarandi súrefnisskort, blóðleysi og dvöl í mikilli hæð. Hormóna- og efnaskiptaástand geta einnig haft óbein áhrif á styrk þess.

Sýrustig blóðs og koltvíoxíð hafa einnig áhrif á súrefnissundrunarkúrfuna (sjá mynd 22.26). Bohr-áhrifin lýsa því að lægra sýrustig og hærri koltvíoxíðsþrýstingur minnka sækni blóðrauða í súrefni og auðvelda losun þess í virkum vefjum; hærra sýrustig og lægri koltvíoxíðsþrýstingur hafa gagnstæð áhrif. Koltvíoxíð hvarfast við vatn og myndar fyrir tilstilli kolsýruanhýdrasa kolsýru sem klofnar í H⁺ og bíkarbónat, auk þess sem koltvíoxíð getur bundist globíni. Aukin H⁺-myndun lækkar sýrustig og stuðlar að hægri hliðrun kúrfunnar. Efnaskiptaálag getur einnig aukið sýrumyndun og laktatstyrk, en laktat er ekki eitt og sér einföld skýring á allri súrnun.

Blóðrauði fósturs

Fóstrið hefur eigin blóðrás og rauðkorn en fær súrefni yfir fylgjuna frá blóði þungaða einstaklingsins. Móðurblóð og fósturblóð blandast að jafnaði ekki beint; lofttegundir fara yfir fylgjutálmann í fylgjuhárum sem myndast úr kóríoni, þar sem háræðar fósturs liggja nálægt blóði í millihársrými. Hlutþrýstingur súrefnis í móðurblóði við skiptisvæðið er lægri en í slagæðablóði hennar, oft um 35–50 mmHg. Um 20 mmHg lýsir gróflega súrefnisþrýstingi í fósturblóði sem kemur að fylgjunni um naflaslagæðar, en blóð sem fer frá fylgjunni um naflabláæð hefur hærri þrýsting. Þrátt fyrir lítinn þrýstingsmun tekur fósturblóð upp súrefni meðal annars vegna eiginleika fósturblóðrauða (mynd 22.27). Fósturblóðrauði (HbF) er úr tveimur alfa- og tveimur gamma-undireiningum, en meginblóðrauði fullorðinna (HbA) úr tveimur alfa- og tveimur beta-undireiningum. HbF bindur 2,3-BPG veikar og hefur því meiri sækni í súrefni. Hærri blóðrauðastyrkur fósturs og svonefnd tvöföld Bohr-áhrif styðja einnig súrefnisflutning yfir fylgju.

Línuritið ber saman súrefnismettun fósturblóðrauða og blóðrauða fullorðinna við mismunandi hlutþrýsting súrefnis. Kúrfa fósturblóðrauða liggur vinstra megin. — **Mynd 22.27.** Fósturblóðrauði hefur meiri sækni í súrefni en blóðrauði fullorðinna.

Flutningur koltvíoxíðs í blóði

Koltvíoxíð flyst í blóði á þrjá meginvegu. Lítill hluti er uppleystur í blóðvökva. Stærsti hlutinn umbreytist í bíkarbónat (HCO₃^⁻) í rauðkornum og flyst að mestu í blóðvökva. Afgangurinn binst amínóendum próteina, einkum globínkeðjum blóðrauða, og myndar karbamínósambönd (mynd 22.28). Hlutföllin eru nálganir og breytast með lífeðlisástandi.

Myndin sýnir hvernig koltvíoxíð fer úr vefjafrumu í blóð, umbreytist í rauðkorni og flyst uppleyst, sem bíkarbónat eða bundið blóðrauða. — **Mynd 22.28.** Koltvíoxíð flyst á þrjá meginvegu: (a) bundið globíni í rauðkornum; (b) eftir afturkræfa myndun kolsýru (H2CO3) sem bíkarbónat, að mestu í blóðvökva; og (c) uppleyst í blóðvökva.

Uppleyst koltvíoxíð

Koltvíoxíð er mun leysanlegra en súrefni í blóði, en aðeins um 7–10 prósent þess koltvíoxíðs sem blóð flytur frá vefjum er beint uppleyst í blóðvökva. Þegar blóðið kemur í lungnaháræðar flæðir uppleysta koltvíoxíðið niður hlutþrýstingsstigul yfir öndunarhimnuna í lungnablöðrur og er síðan losað við útöndun.

Stuðpúðakerfi bíkarbónats

Stór hluti, oft um 70 prósent, af koltvíoxíði sem kemur í blóð frá vefjum flyst til lungna á formi bíkarbónats. Mest bíkarbónat myndast í rauðkornum eftir að koltvíoxíð flæðir inn í þau. Kolsýruanhýdrasi (CA) hvatar afturkræft hvarf koltvíoxíðs og vatns í kolsýru (H₂CO₃), sem klofnar hratt í bíkarbónat (HCO₃^⁻) og vetnisjón (H⁺). Eftirfarandi jafna sýnir heildarhvarfið:

{CO}_{2} {+ H}_{2} O^{\underset{\leftrightarrow}{CA}} H_{2} {CO}_{3} \leftrightarrow H^{+} {+ HCO}_{3 -}

Bíkarbónat safnast fyrst upp í rauðkornum og flyst síðan niður styrkstigul út í blóðvökva um anjónaskiptipróteinið AE1. Í stað hverrar bíkarbónatjónar fer klóríðjón (Cl^⁻) inn í rauðkornið. Þessi rafhlutlausu skipti nefnast klóríðskipti og varðveita heildarrafhleðslu frumunnar og blóðvökvans.

Í lungnaháræðum snýst ferlið við. Bíkarbónat fer aftur inn í rauðkorn í skiptum fyrir klóríð. Vetnisjónir, sem deoxýblóðrauði hafði bundið og þannig dregið úr sýruáhrifum þeirra, losna þegar súrefni binst og sameinast bíkarbónati í kolsýru. Kolsýruanhýdrasi hvatar myndun koltvíoxíðs og vatns úr kolsýrunni. Koltvíoxíðið flæðir úr rauðkornum í blóðvökva, yfir öndunarhimnuna í lungnablöðrur og er losað við útöndun.

Karbamínóblóðrauði

Um 20 prósent koltvíoxíðs í bláæðablóði flyst bundið blóðrauða, þótt hlutfallið sé breytilegt. Koltvíoxíð binst ekki járni hems eins og súrefni heldur myndar karbamínótengi við óhlaðna amínóenda globínkeðja. Sameindin nefnist þá karbamínóblóðrauði. Deoxýblóðrauði bindur koltvíoxíð og H⁺ betur en oxýblóðrauði. Súrefnissnautt blóð er dökkrautt, ekki bláleitt eða fjólublátt. Eftirfarandi jafna sýnir afturkræfa bindingu koltvíoxíðs við blóðrauða:

{CO}_{2} + Hb \leftrightarrow {HbCO}_{2}

Binding og losun koltvíoxíðs ráðast meðal annars af hlutþrýstingi þess og súrefnismettun blóðrauða. Í vefjum er hlutþrýstingur koltvíoxíðs hærri en í aðflæðandi slagæðablóði. Koltvíoxíð flæðir því í blóð, fer inn í rauðkorn og flyst sem bíkarbónat, karbamínósambönd eða uppleyst gas. Í lungnaháræðum er hlutþrýstingur koltvíoxíðs í komandi blóði hærri en í lungnablöðrum. Þar losnar það úr flutningsformunum, flæðir yfir öndunarhimnuna og er andað frá. Súrefnisbinding við blóðrauða styður þessa losun með Haldane-áhrifunum.

Auk hlutþrýstings koltvíoxíðs ráða súrefnismettun blóðrauða og hlutþrýstingur súrefnis miklu um koltvíoxíðflutningsgetu blóðs. Haldane-áhrifin felast í því að deoxýblóðrauði bindur H⁺ og myndar karbamínósambönd auðveldar en oxýblóðrauði. Í vefjum eykur súrefnislosun því getu blóðs til að taka upp koltvíoxíð og binda vetnisjónir. Í lungum minnkar súrefnisbinding þessa getu, H⁺ og koltvíoxíð losna og jafnvægi bíkarbónathvarfsins færist í átt að myndun koltvíoxíðs sem er andað frá.