نقل الغازات في خلايا الدم الحمراء

نقل الأكسجين في الدم:

على الرغم من أن الأكسجين يذوب في الدم، إلا أنه يتم نقل كمية صغيرة من الأكسجين بهذه الطريقة، حيث فقط 1.5 في المائة من الأكسجين في الدم يذوب مباشرة في الدم نفسه ويرتبط معظم الأكسجين 98.5 في المائة ببروتين يسمى الهيموجلوبين وينقل إلى الأنسجة.

الهيموغلوبين:

الهيموغلوبين أو (Hb) هو جزيء بروتين موجود في خلايا الدم الحمراء (كريات الدم الحمراء) يتكون من أربع وحدات فرعية هي وحدتان فرعيتان ألفا ووحدتان فرعيتان بيتا، حيث تحيط كل وحدة فرعية بمجموعة هيم مركزية تحتوي على الحديد وتربط جزيء أكسجين واحدًا، مما يسمح لكل جزيء هيموجلوبين بربط أربعة جزيئات أكسجين.

الجزيئات التي تحتوي على المزيد من الأكسجين المرتبط بمجموعات الهيم تكون حمراء أكثر إشراقًا، ونتيجة لذلك يتكون الدم الشرياني المؤكسج، حيث يحمل الهيموغلوبين أربعة جزيئات أكسجين أحمر فاتحًا بينما الدم الوريدي غير المؤكسج أحمر أغمق.

من الأسهل ربط جزيء الأكسجين الثاني والثالث بـ (Hb) من ​​الجزيء الأول، وذلك لأن جزيء الهيموجلوبين يغير شكله حين يرتبط الأكسجين، ومن ثم يصبح من الصعب ربط الأكسجين الرابع، كما يمكن رسم ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين كدالة للضغط الجزئي للأكسجين في الدم (المحور السيني) مقابل تشبع الهيموجلوبين النسبي (المحور الصادي)، حيث يكون الرسم البياني الناتج، وهو منحنى تفكك الأكسجين سينيًا أو على شكل حرف S ومع زيادة الضغط الجزئي للأكسجين، يصبح الهيموجلوبين مشبعًا بشكل متزايد بالأكسجين.

العوامل التي تؤثر على ارتباط الأكسجين:

تحدد قدرة الهيموجلوبين على حمل الأكسجين كمية الأكسجين المنقولة في الدم، بالإضافة إلى ذلك يمكن أن تؤثر العوامل والأمراض البيئية الأخرى أيضًا على قدرة حمل الأكسجين وإيصاله وينطبق الشيء نفسه على مستويات ثاني أكسيد الكربون ودرجة حموضة الدم ودرجة حرارة الجسم.

عندما يكون ثاني أكسيد الكربون في الدم، فإنه يتفاعل مع الماء لتكوين بيكربونات (HCO3) وأيونات الهيدروجين (H +)، حيث مع زيادة مستوى ثاني أكسيد الكربون في الدم يتم إنتاج المزيد من (H +) وينخفض ​​الرقم الهيدروجيني، وتؤدي الزيادة في ثاني أكسيد الكربون والانخفاض اللاحق في الرقم الهيدروجيني إلى تقليل تقارب الهيموغلوبين للأكسجين.

ينفصل الأكسجين عن جزيء (Hb)، مما يؤدي إلى تحويل منحنى تفكك الأكسجين إلى اليمين لذلك، هناك حاجة إلى المزيد من الأكسجين للوصول إلى نفس مستوى تشبع الهيموجلوبين، كما هو الحال عندما كان الرقم الهيدروجيني أعلى، إذ ينتج تحول مماثل في المنحنى أيضًا عن زيادة درجة حرارة الجسم، وتؤدي زيادة درجة الحرارة مثل زيادة نشاط العضلات الهيكلية  إلى تقليل تقارب الهيموغلوبين للأكسجين.

تقلل أمراض مثل فقر الدم المنجلي والثلاسيميا من قدرة الدم على توصيل الأكسجين إلى الأنسجة وقدرتها على حمل الأكسجين في فقر الدم المنجلي، حيث يكون شكل كريات الدم الحمراء على شكل هلال ممدود ومتصلب، مما يقلل من قدرتها على توصيل الأكسجين، إذ في هذا الشكل لا يمكن لخلايا الدم الحمراء المرور عبر الشعيرات الدموية، ويكون هذا مؤلم عند حدوثه.

الثلاسيميا هو مرض وراثي نادر ينتج عن خلل في الوحدة الفرعية ألفا أو بيتا من الهيموغلوبين، حيث ينتج مرضى الثلاسيميا عددًا كبيرًا من خلايا الدم الحمراء، لكن هذه الخلايا لديها مستويات أقل من الطبيعي من الهيموجلوبين، لذلك تقل قدرة حمل الأكسجين.

نقل ثاني أكسيد الكربون في الدم:

يتم نقل جزيئات ثاني أكسيد الكربون في الدم من أنسجة الجسم إلى الرئتين بإحدى الطرق الثلاث:

• الذوبان مباشرة في الدم.

• ملزمة للهيموجلوبين.

• يتم حملها كأيون بيكربونات.

تؤثر العديد من خصائص ثاني أكسيد الكربون في الدم على انتقاله، أولاً ثاني أكسيد الكربون أكثر قابلية للذوبان في الدم من الأكسجين، إذ يذوب حوالي 5 إلى 7 في المائة من ثاني أكسيد الكربون في البلازما، ثانيًا يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يرتبط ببروتينات البلازما أو يمكن أن يدخل خلايا الدم الحمراء ويرتبط بالهيموجلوبين، حيث هذا النموذج ينقل حوالي 10 بالمائة من ثاني أكسيد الكربون وعندما يرتبط ثاني أكسيد الكربون بالهيموغلوبين يتشكل جزيء يسمى كاربامينوهيموغلوبين، كما يمكن عكس ارتباط ثاني أكسيد الكربون بالهيموجلوبين، لذلك عندما يصل ثاني أكسيد الكربون إلى الرئتين يمكن أن ينفصل بحرية عن الهيموجلوبين ويطرد من الجسم.

ثالثًا يتم نقل غالبية جزيئات ثاني أكسيد الكربون (85 بالمائة) كجزء من نظام عازلة البيكربونات، إذ في هذا النظام ينتشر ثاني أكسيد الكربون في خلايا الدم الحمراء الأنهيدراز الكربوني (CA) داخل خلايا الدم الحمراء ويحول ثاني أكسيد الكربون بسرعة إلى حمض الكربونيك (H2CO3).

حمض الكربونيك هو جزيء وسيط غير مستقر يتفكك على الفور إلى أيونات البيكربونات (HCO3−) وأيونات الهيدروجين (H +)، ونظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يتحول بسرعة إلى أيونات بيكربونات، فإن هذا التفاعل يسمح باستمرار امتصاص ثاني أكسيد الكربون في الدم أسفل تدرج تركيزه، كما ينتج عنه إنتاج أيونات (H +) وإذا تم إنتاج الكثير من (H +) يمكن أن يغير درجة الحموضة في الدم.

ومع ذلك فقد يرتبط الهيموغلوبين بأيونات (H +) الحرة مما يحد من التحولات في الأس الهيدروجيني، إذ يتم نقل أيون البيكربونات المركب حديثًا من خلايا الدم الحمراء إلى المكون السائل في الدم مقابل أيون الكلوريد (Cl-)، وهذا يسمى تحول الكلوريد، عندما يصل الدم إلى الرئتين يتم نقل أيون البيكربونات مرة أخرى إلى خلايا الدم الحمراء مقابل أيون الكلوريد.

ينفصل أيون (H +) عن الهيموجلوبين ويرتبط بأيون البيكربونات، وينتج عن ذلك حمض الكربونيك الوسيط، والذي يتم تحويله مرة أخرى إلى ثاني أكسيد الكربون من خلال التأثير الأنزيمي لـ (CA)، كما يتم طرد ثاني أكسيد الكربون الناتج من خلال الرئتين أثناء الزفير.

فائدة نظام عازلة البيكربونات هو أن ثاني أكسيد الكربون يُمتص في الدم مع تغيير طفيف في درجة الحموضة في النظام، وهذا مهم لأنه لا يتطلب سوى تغيير بسيط في الرقم الهيدروجيني الكلي للجسم حتى تحدث الإصابة الشديدة أو الوفاة، يسمح وجود نظام عازلة البيكربونات للأشخاص بالسفر والعيش على ارتفاعات عالية، وعندما يتغير الضغط الجزئي للأكسجين وثاني أكسيد الكربون على ارتفاعات عالية يتكيف نظام عازلة البيكربونات لتنظيم ثاني أكسيد الكربون مع الحفاظ على الرقم الهيدروجيني الصحيح في الجسم.

التسمم بأول أكسيد الكربون:

في حين أن ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يرتبط بسهولة وينفصل عن الهيموجلوبين، فإن الجزيئات الأخرى مثل أول أكسيد الكربون (CO) لا تستطيع ذلك، حيث أن أول أكسيد الكربون له انجذاب أكبر للهيموجلوبين أكثر من الأكسجين، لذلك عند وجود أول أكسيد الكربون، فإنه يرتبط بالهيموجلوبين بشكل تفضيلي على الأكسجين، ونتيجة لذلك لا يمكن للأكسجين الارتباط بالهيموجلوبين، لذلك يتم نقل القليل جدًا من الأكسجين في جميع أنحاء الجسم.