فرایند حمل و انتقال گازهای خونی به چه صورت است؟

فرایند حمل و انتقال گازهای خونی یکی از فرایندهای حیاتی بدن است که به تأمین اکسیژن مورد نیاز سلول‌ها و دفع دی‌اکسید کربن کمک می‌کند. این فرایند به کمک گلبول‌های قرمز و مولکول هموگلوبین انجام می‌شود.  انتقال گازهای خونی نقش مهمی در حفظ تعادل اسیدی-بازی بدن و عملکرد صحیح اندام‌ها دارد. در این مقاله، به چگونگی انتقال گازهای مختلف در خون، عوامل مؤثر بر این فرایند و اهمیت آن در سلامت بدن می‌پردازیم.

مروی بر رنگدانه‌های تنفسی در مهره داران

رنگدانه‌های تنفسی نقش مهمی در انتقال گازهای خونی مختلف در مهره‌داران و بی‌مهره‌گان دارند. اکسیژن به‌طور نسبی در پلاسمای خون (بخش مایع خون مهره‌داران) نامحلول است. در پستانداران، تنها ۰٫۳ سانتی‌متر مکعب اکسیژن در هر ۱۰۰ سانتی‌متر مکعب پلاسما حل می‌شود. رنگدانه‌های تنفسی، که نوعی کروموپروتئین ویژه هستند، به‌صورت برگشت‌پذیر به اکسیژن متصل شده و آن را حمل می‌کنند.

در مهره‌داران، این رنگدانه به رنگ قرمز بوده و هموگلوبین (Hb) نام دارد. هموگلوبین انسان از چهار زنجیره پروتئینی گلوبین تشکیل شده است که هرکدام به یک گروه هِم حاوی آهن متصل هستند. آهن موجود در هر گروه هِم می‌تواند به یک مولکول اکسیژن متصل شود، بنابراین هر مولکول هموگلوبین قادر به حمل چهار مولکول اکسیژن است.

در مورد ارتباط تفکیکی اکسیژن-هموگلوبین بیشتر بدانیم

برای انتقال گازهای خونی، اتصال اولین گروه هِم به اکسیژن باعث افزایش تمایل گروه هِم دوم به اکسیژن می‌شود و این روند ادامه می‌یابد. اگر منحنی‌ای رسم شود که درصد اشباع اکسیژن هموگلوبین را در برابر فشارهای مختلف اکسیژن (یا فشار جزئی اکسیژن، یعنی میزان اکسیژن موجود در خون) نشان دهد، منحنی تفکیک اکسیژن-هموگلوبین به شکل سیگموئیدی ( Sشکل) به دست می‌آید. این شکل S ناشی از افزایش تدریجی تمایل هموگلوبین به اتصال اکسیژن است. هموگلوبین کاملاً اشباع‌شده، به بدن اجازه می‌دهد تا ۷۰ برابر بیشتر از پلاسمای خون به‌تنهایی، اکسیژن حمل کند.

گرفتن یا آزاد کردن اکسیژن بستگی به فشار اکسیژن (pO2) پلاسمای اطراف دارد.

در مویرگ‌های آلوئولی، فشار اکسیژن بالا است، بنابراین هموگلوبین در این مویرگ‌ها تمایل به جذب اکسیژن دارد.

در بافت‌ها، فشار اکسیژن پایین است، بنابراین هموگلوبین اکسیژن را آزاد می‌کند.

در مویرگ‌های بافتی، فشار اکسیژن به‌گونه‌ای است که هموگلوبین به‌طور کامل اکسیژن خود را تخلیه نمی‌کند، و مقداری اکسیژن در ذخیره باقی می‌ماند تا در مواقع افزایش ناگهانی فعالیت مصرف شود.

تغییر بوهر و تاثیر آن بر انتقال گازهای خونی

پدیده بوهر چه تاثیری بر انتقل گازهای خونی دارد؟

افزایش اسیدیته خون باعث جابه‌جایی منحنی تفکیک اکسیژن-هموگلوبین به سمت راست می‌شود. به این پدیده تغییر بوهر (Bohr Shift) گفته می‌شود. وقتی سطح دی‌اکسید کربن افزایش می‌یابد (مثلاً در بافت‌های فعال که متابولیسم بالایی دارند)، pH خون کاهش پیدا می‌کند. یعنی خون اسیدی‌تر می‌شود. این کاهش pH باعث کاهش میل ترکیبی هموگلوبین به اکسیژن شده و در نتیجه، هموگلوبین اکسیژن را راحت‌تر در اختیار سلول‌ها قرار می‌دهد.

در مقابل، در ریه‌ها که دی‌اکسید کربن دفع می‌شود و pH افزایش می‌یابد، میل ترکیبی هموگلوبین به اکسیژن بیشتر شده و اکسیژن را جذب می‌کند. این تغییرات باعث افزایش کارایی انتقال اکسیژن در بدن می‌شود.

 این مکانیسم به‌ویژه هنگام فعالیت عضلانی مفید است. زیرا تجمع متابولیت‌های اسیدی (مانند لاکتات در متابولیسم بی‌هوازی) نیاز به اکسیژن بیشتری را ایجاد می‌کند.

هموگلوبین جنینی و لنتقال گازهای خونی

جنین دارای هموگلوبین متفاوتی (^[۱]HbF) است که نسبت به هموگلوبین بالغین (HbA^[2]) تمایل بیشتری به اکسیژن دارد. این ویژگی به انتقال گازهای خونی از مادر به جنین کمک می‌کند. هموگلوبین‌های چندشکلی مشابهی در سایر مهره‌داران نیز یافت می‌شوند، مانند هموگلوبین‌های نوزاد قورباغه و قورباغه بالغ.

انتقال کربن دی اکسید

یکی دیگر از فرایندهای انتقال گازهای خونی در بدن، انتقال دی اکسید کربن است.

دی‌اکسید کربن نسبت به اکسیژن در پلاسما محلول‌تر است و حدود ۷٪ از آن به‌صورت محلول حمل می‌شود. تقریباً ۲۳٪ از CO2 به گلوبین‌های هموگلوبین (Hb) متصل می‌شود. بیشتر CO2 در خون به‌صورت ترکیب‌شده با آب و به شکل یون‌های بی‌کربنات (HCO3–) حمل می‌شود. این فرایند توسط آنزیم کربنیک آنهیدراز در گلبول‌های قرمز تسهیل می‌شود.

ابتدا اسید کربنیک تشکیل می‌شود که به‌صورت ضعیف به یون‌های بی‌کربنات و پروتون‌ها تفکیک می‌شود. پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) توسط هموگلوبین دی‌اکسیژنه شده پوشش داده می‌شوند. افزایش یون‌های بی‌کربنات انتشار آن‌ها به پلاسما را تسهیل می‌کند. با از دست رفتن این یون‌ها از گلبول‌های قرمز، تفکیک بیشتر اسید کربنیک تقویت می‌شود. در نتیجه، اسید کربنیک بیشتری از CO2 تشکیل می‌شود که جذب بیشتر این گاز زائد از بافت‌ها را تسهیل می‌کند. یون‌های کلرید برای جبران حذف یون‌های بی‌کربنات با بار منفی، به داخل گلبول‌های قرمز جریان می‌یابند، که به این پدیده “انتقال کلرید” گفته می‌شود. در ریه‌ها، این فرآیندها به‌صورت معکوس رخ می‌دهند. به تفاوت‌های بین حمل‌ونقل اکسیژن و دی‌اکسید کربن توجه کنید.

میوگلوبین

این رنگدانه قرمز در عضلات اسکلتی مهره‌داران یافت می‌شود و دارای یک زنجیره گلوبین همراه با یک واحد هم است. میوگلوبین نقش کلیدی در ذخیره و انتقال گازهای خونی در عضلات دارد. این پروتئین، که در سلول‌های عضلانی یافت می‌شود، از یک زنجیره گلوبین و یک گروه هِم تشکیل شده است. میل ترکیبی میوگلوبین به اکسیژن از هموگلوبین بیشتر است، بنابراین می‌تواند در شرایطی که سطح اکسیژن پایین است، اکسیژن را ذخیره و در مواقع نیاز، مانند فعالیت شدید عضلانی، آن را آزاد کند. این ویژگی به ویژه در عضلاتی که نیاز بالایی به اکسیژن دارند، مانند عضلات قلب و عضلات اسکلتی، بسیار مهم است.

رنگدانه‌های تنفسی بی‌مهرگان و انتقال گازهای خونی

همانطور که در بخش های قبلی گفته شد، رنگدانه های تنفسی نقش مهمی در انتقال گازهای خونی در بدن دارند. اما این رنگدانه ها در بدن مهره داران و بی مهرگان متفاوت هستند.

در بی مهرگان، بخش هم (که شامل چهار حلقه پیرول است که توسط گروه‌های متان به یکدیگر متصل شده و یک ابر‌حلقه با یون فریک (Fe³⁺) در مرکز آن تشکیل می‌دهند که به نیتروژن‌های پیرول متصل است) در تمام هموگلوبین‌ها (Hbs) ثابت است. اگرچه ساختار گلوبین‌ها متغیر است. به نظر می‌رسد که هموگلوبین‌ها به‌طور مستقل و در موارد متعددی تکامل یافته‌اند و حتی در باکتری‌ها یافت می‌شوند. یکی از مکانیسم‌های احتمالی منشأ آن‌ها، سیتوکروم‌ها هستند.

وجود سیتوکروم اکسیداز نشان می‌دهد که تمام حیوانات می‌توانند متالوپورفیرین‌ها را با اکسیژن ترکیب کنند. با این حال، در این فرآیند، یون فرو (Fe²⁺) به Fe³⁺ اکسید نمی‌شود و آنزیم‌ها در تشکیل اکسی‌هموگلوبین نقشی ندارند. مولکول‌های هموگلوبین‌مانند در بی‌مهرگان اغلب اریتروکروئورین نامیده می‌شوند که برخی از آن‌ها اندازه‌ای بسیار بزرگ دارند. برای مثال، در کرم ماسه‌ای پلی‌کیت(Arenicola sp) این مولکول دارای ۱۸۰ زیرواحد است (برخلاف هموگلوبین چهار‌تایی مهره‌داران) و در پلاسما محلول است، نه در گلبول‌های قرمز. در مقابل، پلی‌کیت Glycera sp دارای اریتروکروئورین دو‌تایی (دی‌مری) است.

انتقال گازهای خونی توسط کلروکروئورین

کلروکروئورین یک رنگدانه تنفسی سبز رنگ است که در برخی از بی‌مهرگان یافت می‌شود و نقش مهمی در انتقال گازهای خونی، به‌ویژه اکسیژن، دارد. این رنگدانه مشابه هموگلوبین است، اما در ساختار و ویژگی‌های شیمیایی تفاوت‌هایی دارد که باعث می‌شود آن را در دسته متالوپورفیرین‌ها قرار دهیم.

مانند هموگلوبین در مهره‌داران، کلروکروئورین نقش اصلی را در حمل و نقل گازهای تنفسی، به‌ویژه اکسیژن، در خون بی‌مهرگان ایفا می‌کند.

تفاوت‌های ساختاری و شیمیایی بین هموگلوبین و کلروکروئورین باعث می‌شود که این دو رنگدانه عملکردهای متفاوتی در موجودات مختلف داشته باشند، ولی هر دو به انتقال گازهای تنفسی در موجودات خود کمک می‌کنند.

همریترین

همریترین یک رنگدانه تنفسی غیرهم است که در برخی بی‌مهرگان یافت می‌شود و نقش مهمی در انتقال اکسیژن در خون این موجودات ایفا می‌کند. برخلاف هموگلوبین که از آهن در فرم هم برای اتصال به اکسیژن استفاده می‌کند، همریترین به‌طور مستقیم از آهن به‌عنوان مرکز فعال استفاده می‌کند، ولی ساختار متفاوتی دارد. این رنگدانه در خون برخی از بی‌مهرگان به‌صورت محلول وجود دارد.

برخلاف هموگلوبین که ساختار هموگلوبین از یک حلقه هم آهن تشکیل شده است، همریترین از آهن به‌صورت غیرهم و در پروتئین‌های خاصی استفاده می‌کند.

در حالی که هموگلوبین بیشتر در مهره‌داران یافت می‌شود، همریترین در بی‌مهرگان و به‌ویژه در لنگ‌صدفی‌ها و برخی نرم‌تنان و بندپایان حضور دارد.

این ویژگی‌ها همریترین را به یک رنگدانه تنفسی منحصر به فرد در بی‌مهرگان تبدیل می‌کند که امکان انتقال اکسیژن را برای این موجودات فراهم می‌کند.

هموسیانین

هموسیانین یک رنگدانه تنفسی است که در برخی از بی‌مهرگان مانند نرم‌تنان و بندپایان یافت می‌شود و نقش مهمی در انتقال گازهای خونی دارد. این رنگدانه به‌جای آهن، از مس به‌عنوان مرکز فعال برای اتصال اکسیژن استفاده می‌کند، که آن را به یک رنگدانه غیرهم تبدیل می‌کند. در حالی که هموگلوبین در مهره‌داران نقش اصلی در انتقال اکسیژن را ایفا می‌کند، هموسیانین در برخی از بی‌مهرگان به این وظیفه می‌پردازد

هموسیانین شامل اتم‌های مس است که به‌طور مستقیم در اتصال اکسیژن نقش دارند. در هر واحد هموسیانین، یک اتم مس (Cu²⁺) وجود دارد که به یک زنجیره پروتئینی با حدود ۲۰۰ اسید آمینه متصل است.

برای هر مولکول اکسیژن، دو اتم مس مورد نیاز است، که این باعث می‌شود همیشه یک دی‌مر (دو واحد متصل) از هموسیانین وجود داشته باشد.

در برخی از گونه‌ها، مانند حلزون Helix sp، هموسیانین می‌تواند مولتی‌مرهای بزرگی با وزن مولکولی بسیار بالا (حدود ۶.۶۵ × ۱۰⁶) داشته باشد.

هموسیانین زمانی که بدون اکسیژن است، مس در حالت کاپروس (Cu⁺) قرار دارد. این حالت نشان‌دهنده مس در وضعیت کاهش‌یافته است.

زمانی که هموسیانین اکسیژن را جذب می‌کند، اتم‌های مس اکسیده شده و به کاپریک (Cu²⁺) تبدیل می‌شوند. این تغییرات اکسیداسیون/کاهش در فرآیند جذب و آزادسازی اکسیژن اهمیت دارند.

جمع‌بندی

در این مقاله به مقایسه فرآیند انتقال گازهای خونی در بی‌مهره‌گان و مهره‌داران و رنگدانه‌های موجود در خون آن‌ها پرداخته شد. در مهره‌داران، هموگلوبین اکسیژن را در گلبول‌های قرمز حمل می‌کند، در حالی که بی‌مهره‌گان از رنگدانه‌های تنفسی مختلفی مانند هموسیانین، همریترین و کلروکروئورین استفاده می‌کنند. هموسیانین در بی‌مهره‌گان مس را به‌جای آهن برای حمل اکسیژن به‌کار می‌برد. هر دو گروه تحت تأثیر تغییرات فشار اکسیژن و pH قرار دارند، که باعث تغییر در میزان اتصال گازها به رنگدانه‌ها می‌شود. تفاوت‌های ساختاری این رنگدانه‌ها نشان‌دهنده تطابق با نیازهای فیزیولوژیکی و محیطی موجودات است.

امیدواریم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد.

واژه نامه