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8.6: Gastransport - Biologie

8.6: Gastransport - Biologie


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Lernziele

Am Ende dieses Abschnitts können Sie:

  • Beschreiben Sie die Prinzipien des Sauerstofftransports
  • Beschreiben Sie die Struktur von Hämoglobin
  • Vergleichen und kontrastieren Sie fetales und adultes Hämoglobin
  • Beschreiben Sie die Prinzipien des Kohlendioxidtransports

Die andere wichtige Aktivität in der Lunge ist der Prozess der Atmung, der Prozess des Gasaustauschs. Die Funktion der Atmung besteht darin, den Körperzellen während der Zellatmung Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und Kohlendioxid, ein Abfallprodukt der Zellatmung, aus dem Körper zu eliminieren. Damit der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid stattfinden kann, müssen beide Gase zwischen der äußeren und inneren Atmungsstelle transportiert werden. Obwohl Kohlendioxid im Blut besser löslich ist als Sauerstoff, erfordern beide Gase ein spezielles Transportsystem, damit die meisten Gasmoleküle zwischen der Lunge und anderen Geweben transportiert werden können.

Sauerstofftransport im Blut

Obwohl Sauerstoff über das Blut transportiert wird, erinnern Sie sich vielleicht daran, dass Sauerstoff in Flüssigkeiten nicht sehr gut löslich ist. Eine kleine Menge Sauerstoff löst sich zwar im Blut auf und wird im Blutkreislauf transportiert, aber das sind nur etwa 1,5% der Gesamtmenge. Die meisten Sauerstoffmoleküle werden von der Lunge durch ein spezialisiertes Transportsystem, das auf den Erythrozyten – den roten Blutkörperchen – beruht, in das Körpergewebe transportiert. Erythrozyten enthalten ein Metalloprotein, Hämoglobin, das dazu dient, Sauerstoffmoleküle an den Erythrozyten zu binden (Abbildung 1). Häm ist der eisenhaltige Teil des Hämoglobins, und es ist Häm, das Sauerstoff bindet. Ein Erythrozyten enthält vier Eisenionen, daher kann jeder Erythrozyten bis zu vier Sauerstoffmoleküle transportieren. Da Sauerstoff durch die Atmungsmembran von der Alveole zur Kapillare diffundiert, diffundiert er auch in die roten Blutkörperchen und wird von Hämoglobin gebunden. Die folgende reversible chemische Reaktion beschreibt die Herstellung des Endprodukts, Oxyhämoglobin (Hb-O2), das entsteht, wenn Sauerstoff an Hämoglobin bindet. Oxyhämoglobin ist ein leuchtend rotes Molekül, das zur leuchtend roten Farbe von sauerstoffreichem Blut beiträgt.

Hb + O2 ↔ Hb − O2

In dieser Formel steht Hb für reduziertes Hämoglobin, dh Hämoglobin, an das kein Sauerstoff gebunden ist. Es gibt mehrere Faktoren, die daran beteiligt sind, wie leicht Häm an Sauerstoff bindet und davon dissoziiert, die in den folgenden Abschnitten diskutiert werden.

Funktion von Hämoglobin

Hämoglobin besteht aus Untereinheiten, einer Proteinstruktur, die als Quartärstruktur bezeichnet wird. Jede der vier Untereinheiten, aus denen Hämoglobin besteht, ist ringförmig angeordnet, mit einem kovalent an das Häm gebundenen Eisenatom im Zentrum jeder Untereinheit. Die Bindung des ersten Sauerstoffmoleküls verursacht eine Konformationsänderung des Hämoglobins, die es dem zweiten Sauerstoffmolekül ermöglicht, leichter zu binden. Da jedes Sauerstoffmolekül gebunden ist, erleichtert es die Bindung des nächsten Moleküls weiter, bis alle vier Häm-Stellen mit Sauerstoff besetzt sind. Auch das Gegenteil tritt ein: Nachdem das erste Sauerstoffmolekül dissoziiert und am Gewebe „abgesetzt“ wurde, dissoziiert das nächste Sauerstoffmolekül leichter. Wenn alle vier Häm-Stellen besetzt sind, wird das Hämoglobin als gesättigt bezeichnet. Wenn eine bis drei Häm-Stellen besetzt sind, wird das Hämoglobin als teilweise gesättigt bezeichnet. Betrachtet man daher das Blut als Ganzes, wird der Prozentsatz der verfügbaren Häm-Einheiten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt an Sauerstoff gebunden sind, als Hämoglobinsättigung bezeichnet. Eine Hämoglobinsättigung von 100 Prozent bedeutet, dass jede Hämeinheit in allen Erythrozyten des Körpers an Sauerstoff gebunden ist. Bei einer gesunden Person mit normalen Hämoglobinwerten liegt die Hämoglobinsättigung im Allgemeinen zwischen 95 und 99 Prozent.

Sauerstoffdissoziation von Hämoglobin

Partialdruck ist ein wichtiger Aspekt der Bindung von Sauerstoff an und der Dissoziation von Häm. Ein Sauerstoff-Hämoglobin-Dissoziationskurve ist ein Diagramm, das das Verhältnis des Partialdrucks zur Bindung von Sauerstoff an Häm und dessen anschließende Dissoziation vom Häm beschreibt (Abbildung 2). Denken Sie daran, dass Gase von einem Bereich mit höherem Partialdruck in einen Bereich mit niedrigerem Partialdruck wandern. Außerdem nimmt die Affinität eines Sauerstoffmoleküls für Häm zu, wenn mehr Sauerstoffmoleküle gebunden werden. Daher wird in der Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungskurve mit zunehmendem Sauerstoffpartialdruck eine proportional größere Anzahl von Sauerstoffmolekülen durch Häm gebunden. Es überrascht nicht, dass die Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve auch zeigt, dass je niedriger der Sauerstoffpartialdruck ist, desto weniger Sauerstoffmoleküle an Häm gebunden sind. Als Ergebnis spielt der Sauerstoffpartialdruck eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Bindungsgrades von Sauerstoff an Häm an der Stelle der Atemmembran sowie des Grades der Dissoziation von Sauerstoff von Häm an der Stelle von Körpergeweben.

Die Mechanismen hinter der Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve dienen auch als automatische Kontrollmechanismen, die regulieren, wie viel Sauerstoff an verschiedene Gewebe im ganzen Körper abgegeben wird. Dies ist wichtig, da einige Gewebe eine höhere Stoffwechselrate aufweisen als andere. Hochaktive Gewebe wie Muskeln verwenden schnell Sauerstoff, um ATP zu produzieren, wodurch der Sauerstoffpartialdruck im Gewebe auf etwa 20 mm Hg gesenkt wird. Der Sauerstoffpartialdruck in den Kapillaren beträgt etwa 100 mm Hg, daher wird der Unterschied zwischen den beiden ziemlich groß, etwa 80 mm Hg. Infolgedessen dissoziiert eine größere Anzahl von Sauerstoffmolekülen vom Hämoglobin und dringt in das Gewebe ein. Das Gegenteil gilt für Gewebe wie Fett (Körperfett), die eine niedrigere Stoffwechselrate haben. Da von diesen Zellen weniger Sauerstoff verwendet wird, bleibt der Sauerstoffpartialdruck in solchen Geweben relativ hoch, was dazu führt, dass weniger Sauerstoffmoleküle vom Hämoglobin dissoziieren und in die Gewebezwischenraumflüssigkeit gelangen. Obwohl venöses Blut als desoxygeniert bezeichnet wird, ist immer noch ein Teil des Sauerstoffs an Hämoglobin in seinen roten Blutkörperchen gebunden. Dadurch entsteht eine Sauerstoffreserve, die genutzt werden kann, wenn Gewebe plötzlich mehr Sauerstoff benötigt.

Andere Faktoren als der Partialdruck beeinflussen auch die Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve. Beispielsweise fördert eine höhere Temperatur die schnellere Dissoziation von Hämoglobin und Sauerstoff, während eine niedrigere Temperatur die Dissoziation hemmt (siehe Abbildung 2b). Der menschliche Körper reguliert jedoch die Temperatur streng, sodass dieser Faktor den Gasaustausch im gesamten Körper möglicherweise nicht beeinflusst. Eine Ausnahme bilden hochaktive Gewebe, die möglicherweise mehr Energie freisetzen als in Form von Wärme abgegeben wird. Infolgedessen dissoziiert Sauerstoff leicht von Hämoglobin, was ein Mechanismus ist, der dazu beiträgt, aktives Gewebe mit mehr Sauerstoff zu versorgen.

Bestimmte Hormone wie Androgene, Adrenalin, Schilddrüsenhormone und Wachstumshormone können die Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve beeinflussen, indem sie die Produktion einer Verbindung namens 2,3-Bisphosphoglycerat (BPG) durch Erythrozyten stimulieren. BPG ist ein Nebenprodukt der Glykolyse. Da Erythrozyten keine Mitochondrien enthalten, ist die Glykolyse die einzige Methode, mit der diese Zellen ATP produzieren. BPG fördert die Dissoziation von Sauerstoff vom Hämoglobin. Daher dissoziiert Sauerstoff trotz seines Partialdrucks umso leichter von Hämoglobin, je höher die Konzentration von BPG ist.

Der pH-Wert des Blutes ist ein weiterer Faktor, der die Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve beeinflusst (siehe Abbildung 2). Die Bohr-Effekt ist ein Phänomen, das sich aus der Beziehung zwischen pH-Wert und der Affinität von Sauerstoff für Hämoglobin ergibt: Ein niedrigerer, saurerer pH-Wert fördert die Sauerstoffdissoziation vom Hämoglobin. Im Gegensatz dazu hemmt ein höherer oder basischerer pH-Wert die Sauerstoffdissoziation von Hämoglobin. Je mehr Kohlendioxid im Blut ist, desto mehr Moleküle müssen umgewandelt werden, was wiederum Wasserstoffionen erzeugt und somit den pH-Wert des Blutes senkt. Darüber hinaus kann der pH-Wert des Blutes saurer werden, wenn bestimmte Nebenprodukte des Zellstoffwechsels, wie Milchsäure, Kohlensäure und Kohlendioxid, in den Blutkreislauf freigesetzt werden.

Hämoglobin des Fötus

Der Fötus hat einen eigenen Kreislauf mit eigenen Erythrozyten; es ist jedoch von der Mutter für Sauerstoff abhängig. Die Blutversorgung des Fötus erfolgt über die Nabelschnur, die mit der Plazenta verbunden und durch das Chorion vom mütterlichen Blut getrennt ist. Der Gasaustausch am Chorion ist ähnlich dem Gasaustausch an der Atemmembran. Allerdings ist der Sauerstoffpartialdruck im mütterlichen Blut in der Plazenta mit etwa 35 bis 50 mm Hg niedriger als im mütterlichen arteriellen Blut. Der Partialdruckunterschied zwischen mütterlichem und fetalem Blut ist nicht groß, da der Sauerstoffpartialdruck im fetalen Blut an der Plazenta etwa 20 mm Hg beträgt. Daher gibt es nicht so viel Sauerstoffdiffusion in die fetale Blutversorgung. Das Hämoglobin des Fötus überwindet dieses Problem, indem es eine größere Affinität zu Sauerstoff hat als das Hämoglobin der Mutter (Abbildung 3). Sowohl fötales als auch adultes Hämoglobin haben vier Untereinheiten, aber zwei der Untereinheiten von fötalem Hämoglobin haben eine andere Struktur, die bewirkt, dass fötales Hämoglobin eine größere Affinität für Sauerstoff hat als adultes Hämoglobin.

Kohlendioxidtransport im Blut

Kohlendioxid wird durch drei Hauptmechanismen transportiert. Der erste Mechanismus des Kohlendioxidtransports erfolgt durch Blutplasma, da sich einige Kohlendioxidmoleküle im Blut auflösen. Der zweite Mechanismus ist der Transport in Form von Bicarbonat (HCO3), die sich auch im Plasma auflöst. Der dritte Mechanismus des Kohlendioxidtransports ähnelt dem Sauerstofftransport durch Erythrozyten.

Gelöstes Kohlendioxid

Obwohl Kohlendioxid im Blut nicht als sehr löslich gilt, löst sich ein kleiner Teil – etwa 7 bis 10 Prozent – ​​des Kohlendioxids, das aus den Geweben ins Blut diffundiert, im Plasma auf. Das gelöste Kohlendioxid wandert dann im Blutkreislauf und wenn das Blut die Lungenkapillaren erreicht, diffundiert das gelöste Kohlendioxid über die Atemmembran in die Alveolen, wo es dann während der Lungenbeatmung ausgeatmet wird.

Bicarbonat-Puffer

Ein großer Teil – etwa 70 Prozent – ​​der Kohlendioxidmoleküle, die ins Blut diffundieren, wird als Bikarbonat in die Lunge transportiert. Das meiste Bicarbonat wird in Erythrozyten produziert, nachdem Kohlendioxid in die Kapillaren und anschließend in die roten Blutkörperchen diffundiert. Carboanhydrase (CA) bewirkt, dass Kohlendioxid und Wasser Kohlensäure (H2CO3), das in zwei Ionen dissoziiert: Bicarbonat (HCO3) und Wasserstoff (H+). Die folgende Formel beschreibt diese Reaktion:

Bikarbonat neigt dazu, sich in den Erythrozyten anzusammeln, so dass in den Erythrozyten eine höhere Konzentration an Bikarbonat vorliegt als im umgebenden Blutplasma. Infolgedessen verlässt ein Teil des Bikarbonats die Erythrozyten und wandert nach unten

Konzentrationsgradient ins Plasma im Austausch gegen Chlorid (Cl) Ionen. Dieses Phänomen wird als bezeichnet Chloridverschiebung und tritt auf, weil durch den Austausch eines negativen Ions gegen ein anderes negatives Ion weder die elektrische Ladung der Erythrozyten noch die des Blutes verändert wird.

An den Lungenkapillaren wird die chemische Reaktion, die Bicarbonat erzeugte (siehe oben), umgekehrt, und Kohlendioxid und Wasser sind die Produkte. Ein Großteil des Bicarbonats im Plasma tritt im Austausch gegen Chloridionen wieder in die Erythrozyten ein. Wasserstoffionen und Bicarbonationen verbinden sich zu Kohlensäure, die durch die Carboanhydrase in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt wird. Kohlendioxid diffundiert aus den Erythrozyten in das Plasma, wo es über die Atemmembran in die Alveolen diffundieren kann, um während der Lungenbeatmung ausgeatmet zu werden.

Carbaminohämoglobin

Etwa 20 Prozent des Kohlendioxids werden durch Hämoglobin gebunden und in die Lunge transportiert. Kohlendioxid bindet nicht wie Sauerstoff an Eisen; stattdessen bindet Kohlendioxid Aminosäurereste an den Globinanteilen des Hämoglobins, um zu bilden Carbaminohämoglobin, das sich bildet, wenn Hämoglobin und Kohlendioxid binden. Wenn Hämoglobin keinen Sauerstoff transportiert, neigt es dazu, einen bläulich-violetten Ton zu haben, wodurch die dunklere kastanienbraune Farbe entsteht, die für sauerstoffarmes Blut typisch ist. Die folgende Formel beschreibt diese reversible Reaktion:

Ähnlich wie der Sauerstofftransport durch Häm ist die Bindung und Dissoziation von Kohlendioxid zu und von Hämoglobin abhängig vom Partialdruck des Kohlendioxids. Da Kohlendioxid aus der Lunge freigesetzt wird, hat Blut, das die Lunge verlässt und das Körpergewebe erreicht, einen niedrigeren Kohlendioxidpartialdruck als im Gewebe. Infolgedessen verlässt Kohlendioxid aufgrund seines höheren Partialdrucks das Gewebe, gelangt in das Blut und wandert dann in die roten Blutkörperchen, wo es an Hämoglobin bindet. Im Gegensatz dazu ist in den Lungenkapillaren der Kohlendioxidpartialdruck im Vergleich zu den Alveolen hoch. Als Ergebnis dissoziiert Kohlendioxid leicht von Hämoglobin und diffundiert über die Atmungsmembran in die Luft.

Neben dem Kohlendioxidpartialdruck beeinflussen auch die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins und der Sauerstoffpartialdruck im Blut die Affinität des Hämoglobins zu Kohlendioxid. Der Haldane-Effekt ist ein Phänomen, das aus der Beziehung zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und der Affinität von Hämoglobin für Kohlendioxid entsteht. Mit Sauerstoff gesättigtes Hämoglobin bindet Kohlendioxid nicht ohne weiteres. Wenn jedoch kein Sauerstoff an Häm gebunden ist und der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist, bindet Hämoglobin leicht an Kohlendioxid.

Übungsfrage

Warum ist sauerstoffreiches Blut hellrot, während sauerstoffarmes Blut eher violett ist?

[reveal-answer q=”665709″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”665709″]Wenn Sauerstoff an das Hämoglobinmolekül bindet, entsteht Oxyhämoglobin, das eine rote Farbe hat. Hämoglobin, das nicht an Sauerstoff gebunden ist, hat eher eine blau-violette Farbe. Sauerstoffreiches Blut, das durch die systemischen Arterien fließt, enthält große Mengen an Oxyhämoglobin. Wenn Blut durch das Gewebe fließt, wird ein Großteil des Sauerstoffs in die systemischen Kapillaren abgegeben. Das sauerstoffarme Blut, das durch die systemischen Venen zurückströmt, enthält daher viel geringere Mengen an Oxyhämoglobin. Je mehr Oxyhämoglobin im Blut vorhanden ist, desto röter wird die Flüssigkeit. Infolgedessen hat sauerstoffreiches Blut eine viel rötere Farbe als sauerstoffarmes Blut.[/hidden-answer]

Kapitelrückblick

Sauerstoff wird hauptsächlich von Erythrozyten durch das Blut transportiert. Diese Zellen enthalten ein Metalloprotein namens Hämoglobin, das aus vier Untereinheiten mit einer ringförmigen Struktur besteht. Jede Untereinheit enthält ein Eisenatom, das an ein Hämmolekül gebunden ist. Häm bindet Sauerstoff, sodass jedes Hämoglobinmolekül bis zu vier Sauerstoffmoleküle binden kann. Wenn alle Häm-Einheiten im Blut an Sauerstoff gebunden sind, gilt Hämoglobin als gesättigt. Hämoglobin ist teilweise gesättigt, wenn nur einige Häm-Einheiten an Sauerstoff gebunden sind. Eine Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve ist eine gängige Methode, um die Beziehung darzustellen, wie leicht Sauerstoff an Hämoglobin bindet oder davon dissoziiert, als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks. Wenn der Sauerstoffpartialdruck ansteigt, bindet Hämoglobin umso leichter an Sauerstoff. Gleichzeitig binden, sobald ein Sauerstoffmolekül durch Hämoglobin gebunden ist, weitere Sauerstoffmoleküle leichter an Hämoglobin. Andere Faktoren wie Temperatur, pH-Wert, der Partialdruck von Kohlendioxid und die Konzentration von 2,3-Bisphosphoglycerat können die Bindung von Hämoglobin und Sauerstoff ebenfalls verstärken oder hemmen. Fötales Hämoglobin hat eine andere Struktur als erwachsenes Hämoglobin, was dazu führt, dass fötales Hämoglobin eine größere Affinität zu Sauerstoff hat als erwachsenes Hämoglobin.

Kohlendioxid wird durch drei verschiedene Mechanismen im Blut transportiert: als gelöstes Kohlendioxid, als Bicarbonat oder als Carbaminohämoglobin. Ein kleiner Teil des Kohlendioxids bleibt. Die größte Menge an transportiertem Kohlendioxid wird als Bicarbonat in Erythrozyten gebildet. Für diese Umwandlung wird Kohlendioxid mit Hilfe eines Enzyms namens Carboanhydrase mit Wasser kombiniert. Diese Kombination bildet Kohlensäure, die spontan in Bicarbonat- und Wasserstoffionen zerfällt. Während sich Bikarbonat in Erythrozyten aufbaut, wird es im Austausch gegen Chloridionen durch die Membran ins Plasma transportiert, und zwar durch einen Mechanismus, der als Chloridverschiebung bezeichnet wird. An den Lungenkapillaren tritt Bicarbonat im Austausch gegen Chloridionen wieder in die Erythrozyten ein, und die Reaktion mit Carboanhydrase wird umgekehrt, wodurch Kohlendioxid und Wasser wieder entstehen. Kohlendioxid diffundiert dann aus dem Erythrozyten und über die Atemmembran in die Luft. Eine mittlere Menge Kohlendioxid bindet direkt an Hämoglobin, um Carbaminohämoglobin zu bilden. Die Partialdrücke von Kohlendioxid und Sauerstoff sowie die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins beeinflussen, wie leicht Hämoglobin Kohlendioxid bindet. Je weniger gesättigtes Hämoglobin ist und je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im Blut ist, desto leichter bindet Hämoglobin an Kohlendioxid. Dies ist ein Beispiel für den Haldane-Effekt.

Selbstüberprüfung

Beantworten Sie die Frage(n) unten, um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen.

Fragen zum kritischen Denken

  1. Vergleichen und kontrastieren Sie adultes Hämoglobin und fetales Hämoglobin.
  2. Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und der Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin.
  3. Beschreiben Sie drei Wege, wie Kohlendioxid transportiert werden kann.

[reveal-answer q=”599661″]Antworten anzeigen[/reveal-answer]
[versteckte Antwort a="599661″]

  1. Sowohl adultes als auch fetales Hämoglobin transportieren Sauerstoff über Eisenmoleküle. Fetales Hämoglobin hat jedoch eine etwa 20-fach höhere Affinität zu Sauerstoff als erwachsenes Hämoglobin. Dies ist auf einen Strukturunterschied zurückzuführen; fetales Hämoglobin hat zwei Untereinheiten, die eine etwas andere Struktur haben als die Untereinheiten des adulten Hämoglobins.
  2. Die Beziehung zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und der Bindung von Hämoglobin an Sauerstoff wird durch die Sauerstoff-Hämoglobin-Sättigungs-/Dissoziationskurve beschrieben. Wenn der Sauerstoffpartialdruck ansteigt, nimmt die Anzahl der von Hämoglobin gebundenen Sauerstoffmoleküle zu, wodurch die Hämoglobinsättigung erhöht wird.
  3. Kohlendioxid kann durch drei Mechanismen transportiert werden: im Plasma gelöst, als Bicarbonat oder als Carbaminohämoglobin. Im Plasma gelöst, diffundieren Kohlendioxidmoleküle einfach aus dem Gewebe in das Blut. Bikarbonat entsteht durch eine chemische Reaktion, die hauptsächlich in Erythrozyten stattfindet und Kohlendioxid und Wasser durch Kohlensäureanhydrase verbindet, wodurch Kohlensäure entsteht, die in Bikarbonat und Wasserstoffionen zerfällt. Carbaminohämoglobin ist die gebundene Form von Hämoglobin und Kohlendioxid.

[/versteckte-Antwort]

Glossar

Akklimatisierung: Anpassungsprozess des Atmungssystems aufgrund chronischer Exposition in großer Höhe

akute Bergkrankheit (AMS): Zustand, der als Folge einer akuten Exposition in großer Höhe aufgrund eines niedrigen Sauerstoffpartialdrucks auftritt

Bohr-Effekt: Beziehung zwischen Blut-pH-Wert und Sauerstoffdissoziation von Hämoglobin

Carboanhydrase (CA): Enzym, das die Reaktion katalysiert, bei der Kohlendioxid und Wasser Kohlensäure bilden

Chloridverschiebung: erleichterte Diffusion, die Bicarbonat (HCO3) mit Chlorid (Cl) Ion

Carbaminohämoglobin: gebundene Form von Hämoglobin und Kohlendioxid

Haldane-Effekt: Beziehung zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und der Affinität von Hämoglobin für Kohlendioxid

Oxyhämoglobin: (Hb–O2) gebundene Form von Hämoglobin und Sauerstoff

Sauerstoff-Hämoglobin-Dissoziationskurve: ein Graph, der das Verhältnis des Partialdrucks zur Bindung von Sauerstoff an Häm und dessen anschließende Dissoziation vom Häm beschreibt


8.6: Gastransport - Biologie

Die andere wichtige Aktivität in der Lunge ist der Prozess der Atmung, der Prozess des Gasaustauschs. Die Funktion der Atmung besteht darin, den Körperzellen während der Zellatmung Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und Kohlendioxid, ein Abfallprodukt der Zellatmung, aus dem Körper zu eliminieren. Damit der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid stattfinden kann, müssen beide Gase zwischen der äußeren und der inneren Atmungsstelle transportiert werden. Obwohl Kohlendioxid im Blut besser löslich ist als Sauerstoff, erfordern beide Gase ein spezielles Transportsystem, damit die meisten Gasmoleküle zwischen der Lunge und anderen Geweben transportiert werden können.


Gasaustausch

Obwohl die Alveolen die primären Orte des Gasaustauschs sind, ist der Austausch von O2 und CO2 passiert auch zwischen Blut und Gewebe. Der Gasaustausch an diesen Stellen erfolgt durch einfache Diffusion basierend auf einem Konzentrations-/Druckgradienten. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt nicht nur von der Löslichkeit der Gase ab, sondern auch von der Dicke der am Gasaustausch beteiligten Membranen.

Partialdruck ist der Druck, der von einem einzelnen Gas in einem Gasgemisch entsteht. Es wird als pO . dargestellt2 für Sauerstoff und pCO2 für Kohlendioxid. Die folgende Tabelle zeigt die Partialdrücke dieser Gase in der atmosphärischen Luft und an verschiedenen Gasaustauschstellen.

Die Daten in der obigen Tabelle zeigen deutlich, dass es für O . einen Konzentrationsgradienten gibt2 von den Alveolen zum Blut und Blut zum Gewebe. Ebenso CO2 hat einen Konzentrationsgradienten in die entgegengesetzte Richtung, d. h. vom Gewebe zum Blut und vom Blut zu den Alveolen. Die Menge an CO2 die durch eine Membran diffundieren kann, ist viel höher als die von O2 da die Löslichkeit von CO2 ist 20-25 mal höher als die von O2.

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Diffusionsmembran

Die Diffusionsmembran hat drei Schichten –

  • Das dünne Plattenepithel der Alveolen.
  • Das Endothel enthält Alveolarkapillaren.
  • Die Basalsubstanz zwischen Epithel und Endothel.

Die Gesamtdicke der Diffusionsmembran beträgt weniger als einen Millimeter. All diese Faktoren in unserem Körper erleichtern die Diffusion von O2 von Alveolen zu Geweben und CO2 vom Gewebe bis zu den Alveolen.

Querschnitt einer Alveole (Quelle: Wikimedia Commons)


Transport von Kohlendioxid im Blut

Auflösung, Hämoglobinbindung und das Bicarbonat-Puffersystem sind Wege, auf denen Kohlendioxid durch den Körper transportiert wird.

Lernziele

Erklären Sie, wie Kohlendioxid vom Körpergewebe in die Lunge transportiert wird

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Kohlendioxid ist im Blut besser löslich als Sauerstoff. Etwa 5 bis 7 Prozent des gesamten Kohlendioxids sind im Plasma gelöst.
  • Kohlendioxid hat die Fähigkeit, sich an Hämoglobinmoleküle zu binden und wird aus dem Körper entfernt, sobald sie sich voneinander lösen.
  • Im Bicarbonat-Puffersystem, der häufigsten Form des Kohlendioxidtransports im Blut, wird Kohlendioxid beim Ausatmen schließlich über die Lunge aus dem Körper ausgeschieden.
  • Wichtig ist, dass das Bikarbonat-Puffersystem eine geringe Änderung des pH-Werts des Körpersystems ermöglicht, da es Menschen ermöglicht, in großen Höhen zu reisen und zu leben, da sich das System selbst anpassen kann, um Kohlendioxid zu regulieren, während der richtige pH-Wert im Körper beibehalten wird.

Schlüsselbegriffe

  • Carbaminohämoglobin: eine Verbindung aus Hämoglobin und Kohlendioxid, eine der Formen, in denen Kohlendioxid im Blut vorkommt
  • Carboanhydrase: eine Familie von Enzymen, die die schnelle Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Bicarbonat und Protonen katalysieren
  • Kohlenmonoxid: ein farbloses, geruchloses, brennbares, hochgiftiges Gas

Transport von Kohlendioxid im Blut

Kohlendioxid-Moleküle werden im Blut vom Körpergewebe in die Lunge durch eine von drei Methoden transportiert:

  1. Auflösung direkt ins Blut
  2. Bindung an Hämoglobin
  3. Getragen als Bicarbonat-Ion

Mehrere Eigenschaften von Kohlendioxid im Blut beeinflussen seinen Transport. Erstens ist Kohlendioxid im Blut besser löslich als Sauerstoff. Etwa 5 bis 7 Prozent des gesamten Kohlendioxids sind im Plasma gelöst. Zweitens kann Kohlendioxid an Plasmaproteine ​​binden oder in rote Blutkörperchen eindringen und an Hämoglobin binden. Diese Form transportiert etwa 10 Prozent des Kohlendioxids. Wenn Kohlendioxid an Hämoglobin bindet, wird ein Molekül namens Carbaminohämoglobin gebildet. Die Bindung von Kohlendioxid an Hämoglobin ist reversibel. Daher kann das Kohlendioxid, wenn es die Lunge erreicht, frei vom Hämoglobin dissoziieren und aus dem Körper ausgeschieden werden.

Drittens wird die Mehrheit der Kohlendioxidmoleküle (85 Prozent) als Teil des Bicarbonat-Puffersystems mitgeführt. In diesem System diffundiert Kohlendioxid in die roten Blutkörperchen. Carboanhydrase (CA) in den roten Blutkörperchen wandelt das Kohlendioxid schnell in Kohlensäure (H2CO3). Kohlensäure ist ein instabiles Zwischenmolekül, das sofort in Bicarbonationen (HCO .) dissoziiert3 − ) und Wasserstoff-(H + )-Ionen. Da Kohlendioxid schnell in Bicarbonat-Ionen umgewandelt wird, ermöglicht diese Reaktion die kontinuierliche Aufnahme von Kohlendioxid in das Blut entlang seines Konzentrationsgradienten. Es führt auch zur Produktion von H + -Ionen. Wenn zu viel H + produziert wird, kann es den pH-Wert des Blutes verändern. Hämoglobin bindet jedoch an die freien H + -Ionen, wodurch pH-Verschiebungen begrenzt werden. Das neu synthetisierte Bicarbonat-Ion wird im Austausch gegen ein Chlorid-Ion (Cl-) aus den roten Blutkörperchen in den flüssigen Bestandteil des Blutes transportiert, dies wird als Chloridverschiebung bezeichnet. Wenn das Blut die Lunge erreicht, wird das Bicarbonat-Ion im Austausch gegen das Chlorid-Ion in die roten Blutkörperchen zurücktransportiert. Das H + -Ion dissoziiert vom Hämoglobin und bindet an das Bicarbonat-Ion. Dabei entsteht das Kohlensäure-Zwischenprodukt, das durch die enzymatische Wirkung von CA wieder in Kohlendioxid umgewandelt wird. Das produzierte Kohlendioxid wird beim Ausatmen über die Lunge ausgeschieden.

Der Vorteil des Bicarbonat-Puffersystems besteht darin, dass Kohlendioxid mit geringer Änderung des pH-Werts des Systems in das Blut „aufgesaugt“ wird. Dies ist wichtig, da nur eine kleine Änderung des Gesamt-pH-Werts des Körpers zu schweren Verletzungen oder zum Tod führt. Das Vorhandensein dieses Bikarbonat-Puffersystems ermöglicht es den Menschen auch, in großen Höhen zu reisen und zu leben. Wenn sich der Partialdruck von Sauerstoff und Kohlendioxid in großen Höhen ändert, passt sich das Bikarbonat-Puffersystem an, um das Kohlendioxid zu regulieren und gleichzeitig den richtigen pH-Wert im Körper aufrechtzuerhalten.

Kohlenmonoxidvergiftung

Während Kohlendioxid leicht von Hämoglobin assoziieren und dissoziieren kann, können andere Moleküle wie Kohlenmonoxid (CO) dies nicht. Kohlenmonoxid hat eine größere Affinität zu Hämoglobin als Sauerstoff. Wenn Kohlenmonoxid vorhanden ist, bindet es daher bevorzugt an Hämoglobin gegenüber Sauerstoff. Infolgedessen kann Sauerstoff nicht an Hämoglobin binden, sodass nur sehr wenig Sauerstoff durch den Körper transportiert wird. Kohlenmonoxid ist ein farbloses, geruchloses Gas, das schwer zu erkennen ist. Es wird von gasbetriebenen Fahrzeugen und Werkzeugen produziert. Kohlenmonoxid kann Kopfschmerzen, Verwirrung und Übelkeit verursachen. Eine langfristige Exposition kann zu Hirnschäden oder zum Tod führen. Die Verabreichung von 100 Prozent (reinem) Sauerstoff ist die übliche Behandlung einer Kohlenmonoxidvergiftung, da sie die Trennung von Kohlenmonoxid vom Hämoglobin beschleunigt.

Kohlenmonoxidvergiftung: Wenn das Kohlenmonoxid (CO) im Körper ansteigt, nimmt die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins ab, da Hämoglobin leichter an CO als an Sauerstoff bindet. Daher führt eine CO-Exposition aufgrund eines verminderten Sauerstofftransports im Körper zum Tod.


Kohlenmonoxidvergiftung

Während Kohlendioxid leicht von Hämoglobin assoziieren und dissoziieren kann, können andere Moleküle wie Kohlenmonoxid (CO) dies nicht. Kohlenmonoxid hat eine größere Affinität zu Hämoglobin als Sauerstoff. Wenn Kohlenmonoxid vorhanden ist, bindet es daher bevorzugt an Hämoglobin gegenüber Sauerstoff. Infolgedessen kann Sauerstoff nicht an Hämoglobin binden, sodass nur sehr wenig Sauerstoff durch den Körper transportiert wird ([Link]). Kohlenmonoxid ist ein farbloses, geruchloses Gas und daher schwer nachzuweisen. Es wird von gasbetriebenen Fahrzeugen und Werkzeugen produziert. Kohlenmonoxid kann Kopfschmerzen, Verwirrung und Übelkeit verursachen. Eine langfristige Exposition kann zu Hirnschäden oder zum Tod führen. Die Verabreichung von 100 Prozent (reinem) Sauerstoff ist die übliche Behandlung einer Kohlenmonoxidvergiftung. Die Verabreichung von reinem Sauerstoff beschleunigt die Trennung von Kohlenmonoxid vom Hämoglobin.



Diffusion: Bedeutung, Permeabilität, Membranen und Bedeutung | Botanik

Die Bewegung der Moleküle von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen aus dem Bereich höherer Konzentration in den Bereich niedrigerer Konzentration wird als Diffusion bezeichnet. Es kann zwischen Gas und Gas, Flüssigkeit und Flüssigkeit oder fest und flüssig auftreten.

Diffusion kann auch als Bewegung von Molekülen von Bereichen höheren Partialdrucks zu Bereichen niedrigeren Partialdrucks aufgrund ihrer inhärenten kinetischen Energie definiert werden. Wenn beispielsweise ein Zuckerwürfel in ein wasserhaltiges Becherglas geworfen wird, löst sich der Zucker langsam auf und seine Moleküle bewegen sich, ohne von der Strömung getragen zu werden, von der Oberfläche des Würfels zu anderen Teilen des Wassers im Becherglas.

Nach einiger Zeit verschwindet der Zuckerwürfel und die Zuckerpartikel verteilen sich gleichmäßig im Wasser (Abb. 1.1). Ähnliches ist bei Gasen der Fall – zwei Gase, die in einer geschlossenen Kammer freigesetzt werden, diffundieren bald durch den gesamten verfügbaren Raum und werden gründlich vermischt. Die Bedienung ist in Bezug auf Geruch bekannt.

Es gibt zwei Arten der Diffusion von Molekülen oder Ionen durch eine Membran:

Diffundierende Moleküle oder Ionen verbinden sich nicht mit den Bestandteilen der Membran.

(b) Erleichterte Verbreitung:

Diffundierende Moleküle bewegen sich mit Hilfe von Transportproteinen oder Trägerproteinen durch die Membran.

Diffusionsdruck (DP):

Der Begriff wurde von Meyer (1938) geprägt, um die potentielle Fähigkeit der Moleküle oder Ionen jeder Substanz zu bezeichnen, von einem Bereich ihrer höheren Konzentration in den ihrer niedrigeren Konzentration zu diffundieren. Der Diffusionsdruck ist direkt proportional zur Anzahl der diffundierenden Partikel. Daher wird bei einer höheren Konzentration von diffundierenden Molekülen in einem System auch ihre Diffusion größer sein. Reines Wasser (Lösungsmittel) hätte einen höheren Diffusionsdruck als Zuckerlösung.

Faktoren, die die Diffusion beeinflussen:

Die Diffusionskraft von Molekülen ist ihre kinetische Energie (d. h. das chemische Potenzial). Daher wird angenommen, dass das Phänomen der Diffusion auf die Unterschiede im chemischen Potenzial oder der freien Energie der Komponenten eines Systems zurückzuführen ist. Alle Faktoren, die das chemische Potenzial von Molekülen verändern, beeinflussen letztendlich die Diffusionsgeschwindigkeit.

Einige der wichtigen Faktoren sind im Folgenden aufgeführt:

(EIN) Diffusionsdruckgradient (DPG):

Die Diffusionsgeschwindigkeit einer Substanz ist direkt proportional zum Konzentrationsunterschied ihrer Moleküle oder Ionen in den beiden Regionen und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen diesen beiden Regionen. Somit bestimmen die Unterschiede der Diffusionsdrücke die Geschwindigkeit und Richtung der Diffusion.

Die Temperatur beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit stark. Wenn die Temperatur erhöht wird, wird die Diffusion beschleunigt, da die Geschwindigkeit der diffundierenden Partikel erhöht wird.

Die Konzentration der diffundierenden Partikel und die Dichte der Flüssigkeit oder des Gases, durch die die Diffusion erfolgt, beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit deutlich. Die Dichte des diffundierenden Gases selbst bestimmt die Diffusionsgeschwindigkeit. Je leichter das Gas ist, desto größer ist seine Diffusionsgeschwindigkeit. Nach dem Gasdiffusionsgesetz ist die Diffusionsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Gasdichte.

According to the density the diffusion of substances takes place in following manner:

Importance of Diffusion in Plants:

1. The exchange of gases through stomata (for example, CO2 intake and O2 output during photosynthesis, and CO2 output and O2 intake during respiration takes place by the principal of independent diffusion.

2. Transpiration involves the process of diffusion.

3. The ions are absorbed by the simple diffusion during pas

4. Diffusion is an effective means of transport of substances helps in the translocation of food material.

5. Aroma in the vicinity of flowers is nothing but the diffusion of the volatile aromatic compounds. Thus, the diffusion helps to attract insects and other animals for pollination.

6. Diffusion keeps the cell walls of the internal plant tissues moist.

7. It is a means of spreading of ions and other substances throughout the protoplast.

Significance of Diffusion:

1. The process of diffusion is involved in the transpiration of water vapours.

2. Gaseous exchange during the process of respiration and photosynthesis takes place with the help of diffusion.

3. During passive salt uptake the ions are absorbed by the process of diffusion.

4. It also helps in translocation of food materials.

5. Gas exchange in submerged hydrophytes takes place by general body surface (epidermis) through diffusion.

6. Aroma of flowers is due to diffusion of volatile aromatic compounds to attract insects.

Permeability and Membranes:

Permeability is the degree of diffusion of gases, liquids and dissolved substances through a membrane. The ability of a substance to pass through a membrane is also called as permeability A membrane may be freely permeable for one substance, moderately permeable for the second one and may be completely impermeable for the third one.

On this basis following types of membranes have been recognized:

1. Freely permeable membrane:

This type of membrane allows free movement (passage) of various substance, such as water, other solvents, various ions and dissolved solutes, e x – Cell wall.

2. Impermeable membrane:

This type of membrane does not allow any kind of movement through it., e.g., – cultinized cell wall.

3. Semi-permeable membrane:

This type of membrane allows only solvent particles to pass through it. It does not allow the movement of solute particles, e.g., egg membrane, animal bladder, parchment membrane. These can be prepared artificially also.

4. Selectively permeable membrane or differentially permeable membrane:

These membranes allow only some selected molecules (of solute and solvent) to pass through it. Most of the biological membranes, such as cell membrane, tonoplast (vacuolar membrane) and the membrane surrounding the sub-cellular organelles are selectively permeable These membranes give a differential treatment to different kinds of molecules. Some molecules move very rapidly, some move very slowly, while rest other do not move at all. A nonliving selectively permeable membrane is cellophane.


17. BREATHING AND EXCHANGE OF GASES

It is the transport of respiratory gases (O2 & CO2) from alveoli to the systemic tissues and vice versa.

It is the transport of O2 from lungs to various tissues.

  1. In physical solution (blood plasma): About 3% of O2 is carried in a dissolved state through plasma.
  2. As oxyhaemoglobin: About 97% of O2 is transported by Hämoglobin (red coloured iron containing pigment) on RBC. O2 binds with haemoglobin (Hb) to form oxyhaemoglobin. Das nennt man oxygenation. Hb has 4 haem units. So, each Hb molecule can carry 4 oxygen molecules. Binding of O2 depends upon pO2, pCO2, H+ ion concentration (pH) and temperature.

It is used to study the effect of factors like pCO2, H+ concentration etc., on binding of O2 with Hb.


Transport of Gases in Human Bodily Fluids

Once the oxygen diffuses across the alveoli, it enters the bloodstream and is transported to the tissues where it is unloaded, and carbon dioxide diffuses out of the blood and into the alveoli to be expelled from the body. Although gas exchange is a continuous process, the oxygen and carbon dioxide are transported by different mechanisms.

Transport of Oxygen in the Blood

Although oxygen dissolves in blood, only a small amount of oxygen is transported this way. Only 1.5 percent of oxygen in the blood is dissolved directly into the blood itself. Most oxygen—98.5 percent—is bound to a protein called hemoglobin and carried to the tissues.

Hämoglobin

Hämoglobin, or Hb, is a protein molecule found in red blood cells (erythrocytes) made of four subunits: two alpha subunits and two beta subunits ([link]). Each subunit surrounds a central heme group that contains iron and binds one oxygen molecule, allowing each hemoglobin molecule to bind four oxygen molecules. Molecules with more oxygen bound to the heme groups are brighter red. As a result, oxygenated arterial blood where the Hb is carrying four oxygen molecules is bright red, while venous blood that is deoxygenated is darker red.

It is easier to bind a second and third oxygen molecule to Hb than the first molecule. This is because the hemoglobin molecule changes its shape, or conformation, as oxygen binds. The fourth oxygen is then more difficult to bind. The binding of oxygen to hemoglobin can be plotted as a function of the partial pressure of oxygen in the blood (x-axis) versus the relative Hb-oxygen saturation (y-axis). The resulting graph—an oxygen dissociation curve—is sigmoidal, or S-shaped ([link]). As the partial pressure of oxygen increases, the hemoglobin becomes increasingly saturated with oxygen.

The kidneys are responsible for removing excess H+ ions from the blood. If the kidneys fail, what would happen to blood pH and to hemoglobin affinity for oxygen?

Factors That Affect Oxygen Binding

Die oxygen-carrying capacity of hemoglobin determines how much oxygen is carried in the blood. In addition to P O 2

, other environmental factors and diseases can affect oxygen carrying capacity and delivery.

Carbon dioxide levels, blood pH, and body temperature affect oxygen-carrying capacity ([link]). When carbon dioxide is in the blood, it reacts with water to form bicarbonate (HCO 3 − )

and hydrogen ions (H + ). As the level of carbon dioxide in the blood increases, more H + is produced and the pH decreases. This increase in carbon dioxide and subsequent decrease in pH reduce the affinity of hemoglobin for oxygen. The oxygen dissociates from the Hb molecule, shifting the oxygen dissociation curve to the right. Therefore, more oxygen is needed to reach the same hemoglobin saturation level as when the pH was higher. A similar shift in the curve also results from an increase in body temperature. Increased temperature, such as from increased activity of skeletal muscle, causes the affinity of hemoglobin for oxygen to be reduced.

Diseases like sickle cell anemia and thalassemia decrease the blood’s ability to deliver oxygen to tissues and its oxygen-carrying capacity. In sickle cell anemia, the shape of the red blood cell is crescent-shaped, elongated, and stiffened, reducing its ability to deliver oxygen ([link]). In this form, red blood cells cannot pass through the capillaries. This is painful when it occurs. Thalassämie is a rare genetic disease caused by a defect in either the alpha or the beta subunit of Hb. Patients with thalassemia produce a high number of red blood cells, but these cells have lower-than-normal levels of hemoglobin. Therefore, the oxygen-carrying capacity is diminished.

Transport of Carbon Dioxide in the Blood

Carbon dioxide molecules are transported in the blood from body tissues to the lungs by one of three methods: dissolution directly into the blood, binding to hemoglobin, or carried as a bicarbonate ion. Several properties of carbon dioxide in the blood affect its transport. First, carbon dioxide is more soluble in blood than oxygen. About 5 to 7 percent of all carbon dioxide is dissolved in the plasma. Second, carbon dioxide can bind to plasma proteins or can enter red blood cells and bind to hemoglobin. This form transports about 10 percent of the carbon dioxide. When carbon dioxide binds to hemoglobin, a molecule called carbaminohemoglobin gebildet. Binding of carbon dioxide to hemoglobin is reversible. Therefore, when it reaches the lungs, the carbon dioxide can freely dissociate from the hemoglobin and be expelled from the body.

Third, the majority of carbon dioxide molecules (85 percent) are carried as part of the bicarbonate buffer system. In this system, carbon dioxide diffuses into the red blood cells. Carbonic anhydrase (CA) within the red blood cells quickly converts the carbon dioxide into carbonic acid (H2CO3). Carbonic acid is an unstable intermediate molecule that immediately dissociates into Bicarbonationen

</math></strong> and hydrogen (H + ) ions. Since carbon dioxide is quickly converted into bicarbonate ions, this reaction allows for the continued uptake of carbon dioxide into the blood down its concentration gradient. It also results in the production of H + ions. If too much H + is produced, it can alter blood pH. However, hemoglobin binds to the free H + ions and thus limits shifts in pH. The newly synthesized bicarbonate ion is transported out of the red blood cell into the liquid component of the blood in exchange for a chloride ion (Cl - ) this is called the chloride shift. When the blood reaches the lungs, the bicarbonate ion is transported back into the red blood cell in exchange for the chloride ion. The H + ion dissociates from the hemoglobin and binds to the bicarbonate ion. This produces the carbonic acid intermediate, which is converted back into carbon dioxide through the enzymatic action of CA. The carbon dioxide produced is expelled through the lungs during exhalation.

The benefit of the bicarbonate buffer system is that carbon dioxide is “soaked up” into the blood with little change to the pH of the system. This is important because it takes only a small change in the overall pH of the body for severe injury or death to result. The presence of this bicarbonate buffer system also allows for people to travel and live at high altitudes: When the partial pressure of oxygen and carbon dioxide change at high altitudes, the bicarbonate buffer system adjusts to regulate carbon dioxide while maintaining the correct pH in the body.

Carbon Monoxide Poisoning

While carbon dioxide can readily associate and dissociate from hemoglobin, other molecules such as carbon monoxide (CO) cannot. Carbon monoxide has a greater affinity for hemoglobin than oxygen. Therefore, when carbon monoxide is present, it binds to hemoglobin preferentially over oxygen. As a result, oxygen cannot bind to hemoglobin, so very little oxygen is transported through the body ([link]). Carbon monoxide is a colorless, odorless gas and is therefore difficult to detect. It is produced by gas-powered vehicles and tools. Carbon monoxide can cause headaches, confusion, and nausea long-term exposure can cause brain damage or death. Administering 100 percent (pure) oxygen is the usual treatment for carbon monoxide poisoning. Administration of pure oxygen speeds up the separation of carbon monoxide from hemoglobin.

Abschnittszusammenfassung

Hemoglobin is a protein found in red blood cells that is comprised of two alpha and two beta subunits that surround an iron-containing heme group. Oxygen readily binds this heme group. The ability of oxygen to bind increases as more oxygen molecules are bound to heme. Disease states and altered conditions in the body can affect the binding ability of oxygen, and increase or decrease its ability to dissociate from hemoglobin.

Carbon dioxide can be transported through the blood via three methods. It is dissolved directly in the blood, bound to plasma proteins or hemoglobin, or converted into bicarbonate. The majority of carbon dioxide is transported as part of the bicarbonate system. Carbon dioxide diffuses into red blood cells. Inside, carbonic anhydrase converts carbon dioxide into carbonic acid (H2CO3), which is subsequently hydrolyzed into bicarbonate (HCO 3 − )

and H + . The H + ion binds to hemoglobin in red blood cells, and bicarbonate is transported out of the red blood cells in exchange for a chloride ion. This is called the chloride shift. Bicarbonate leaves the red blood cells and enters the blood plasma. In the lungs, bicarbonate is transported back into the red blood cells in exchange for chloride. The H + dissociates from hemoglobin and combines with bicarbonate to form carbonic acid with the help of carbonic anhydrase, which further catalyzes the reaction to convert carbonic acid back into carbon dioxide and water. The carbon dioxide is then expelled from the lungs.

Kunstverbindungen

[link] The kidneys are responsible for removing excess H+ ions from the blood. If the kidneys fail, what would happen to blood pH and to hemoglobin affinity for oxygen?

[link] The blood pH will drop and hemoglobin affinity for oxygen will decrease.

Rezensionsfragen

Which of the following will NOT facilitate the transfer of oxygen to tissues?

  1. decreased body temperature
  2. decreased pH of the blood
  3. increased carbon dioxide
  4. increased exercise

The majority of carbon dioxide in the blood is transported by ________.

  1. binding to hemoglobin
  2. dissolution in the blood
  3. conversion to bicarbonate
  4. binding to plasma proteins

The majority of oxygen in the blood is transported by ________.

  1. dissolution in the blood
  2. being carried as bicarbonate ions
  3. binding to blood plasma
  4. binding to hemoglobin

Freie Antwort

What would happen if no carbonic anhydrase were present in red blood cells?

Without carbonic anhydrase, carbon dioxide would not be hydrolyzed into carbonic acid or bicarbonate. Therefore, very little carbon dioxide (only 15 percent) would be transported in the blood away from the tissues.

How does the administration of 100 percent oxygen save a patient from carbon monoxide poisoning? Why wouldn’t giving carbon dioxide work?

Carbon monoxide has a higher affinity for hemoglobin than oxygen. This means that carbon monoxide will preferentially bind to hemoglobin over oxygen. Administration of 100 percent oxygen is an effective therapy because at that concentration, oxygen will displace the carbon monoxide from the hemoglobin.

Glossar

ion ion created when carbonic acid dissociates into H + and (HCO 3 − ) carbaminohemoglobin molecule that forms when carbon dioxide binds to hemoglobin carbonic anhydrase (CA) enzyme that catalyzes carbon dioxide and water into carbonic acid chloride shift chloride shift exchange of chloride for bicarbonate into or out of the red blood cell heme group centralized iron-containing group that is surrounded by the alpha and beta subunits of hemoglobin hemoglobin molecule in red blood cells that can bind oxygen, carbon dioxide, and carbon monoxide oxygen-carrying capacity amount of oxygen that can be transported in the blood oxygen dissociation curve curve depicting the affinity of oxygen for hemoglobin sickle cell anemia genetic disorder that affects the shape of red blood cells, and their ability to transport oxygen and move through capillaries thalassemia rare genetic disorder that results in mutation of the alpha or beta subunits of hemoglobin, creating smaller red blood cells with less Hämoglobin


Permeation

Permeation is the diffusion, through a barrier, of a substance in solution. The rates at which biologically important molecules cross the cell membrane through permeation vary over an enormous range. Proteins and sugar polymers do not permeate at all in contrast, water and alcohols permeate most membranes in less than a second. This variation, caused by the lipid bilayer, gives the membrane its characteristic permeability. Permeability is measured as the rate at which a particular substance in solution crosses the membrane.

For all cell membranes that have been studied in the laboratory, permeability increases in parallel with the permeant’s ability to dissolve in organic solvents. The consistency of this parallel has led researchers to conclude that permeability is a function of the fatty acid interior of the lipid bilayer, rather than its phosphoryl exterior. This property of dissolving in organic solvents rather than water is given a unit of measure called the partition coefficient. The greater the solubility of a substance, the higher its partition coefficient, and the higher the partition coefficient, the higher the permeability of the membrane to that particular substance. For example, the water solubility of hydroxyl, carboxyl, and amino groups reduces their solubility in organic solvents and, hence, their partition coefficients. Cell membranes have been observed to have low permeability toward these groups. In contrast, lipid-soluble methyl residues and hydrocarbon rings, which have high partition coefficients, penetrate cell membranes more easily—a property useful in designing chemotherapeutic and pharmacological drugs.

For two molecules of the same partition coefficient, the one of greater molecular weight, or size, will in general cross the membrane more slowly. In fact, even molecules with very low partition coefficients can penetrate the membrane if they are small enough. Water, for example, is insoluble in organic solvents, yet it permeates cell membranes because of the small size of its molecules. The size selectivity of the lipid bilayer is a result of its being not a simple fluid, the molecules of which move around and past a diffusing molecule, but an organized matrix, a kind of fixed grate, composed of the fatty acid chains of the phospholipids through which the diffusing molecule must fit.

Many substances do not actually cross the cell membrane through permeation of the lipid bilayer. Some electrically charged ions, for example, are repelled by organic solvents and therefore cross cell membranes with great difficulty, if at all. In these cases special holes in the membrane, called channels, allow specific ions and small molecules to diffuse directly through the bilayer.


In the lungs, oxygen diffuses from the air in alveoli into the blood of surrounding capillaries. Most of the oxygen enters RBCs and combines with the heme portions of hemoglobin (Hb) to form oxyhemoglobin (HbO2). About 98.5% of the oxygen is transported as oxyhemoglobin. The remaining 1.5% is dissolved in the plasma.

In body tissues, oxyhemoglobin releases oxygen and it diffuses from capillary blood into the interstitial fluid before entering the tissue cells. Actually, only about 25% of the oxygen is released in healthy individuals at rest, so oxyhemoglobin is present even in deoxy- genated blood.

The reason that hemoglobin is such an effective carrier of oxygen is that the chemical bond between oxygen and hemoglobin is relatively unstable. When the surrounding oxygen concentration is high, as in the lungs, hemoglobin combines readily with oxygen but when the surrounding oxygen concentration is low, as in body tissues, hemoglobin releases oxygen.


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