Le altre principali attività nei polmoni è il processo di respirazione, il processo di scambio di gas., La funzione della respirazione è di fornire ossigeno per l’uso da parte delle cellule del corpo durante la respirazione cellulare e di eliminare l’anidride carbonica, un prodotto di scarto della respirazione cellulare, dal corpo. Affinché si verifichi lo scambio di ossigeno e anidride carbonica, entrambi i gas devono essere trasportati tra i siti respiratori esterni e interni. Sebbene l’anidride carbonica sia più solubile dell’ossigeno nel sangue, entrambi i gas richiedono un sistema di trasporto specializzato per la maggior parte delle molecole di gas da spostare tra i polmoni e altri tessuti.,

Trasporto di ossigeno nel sangue

Figura 1. L’emoglobina consiste di quattro subunità, ognuna delle quali contiene una molecola di ferro.

Anche se l’ossigeno viene trasportato attraverso il sangue, si può ricordare che l’ossigeno non è molto solubile nei liquidi. Una piccola quantità di ossigeno si dissolve nel sangue e viene trasportata nel sangue, ma è solo circa l ‘ 1,5% della quantità totale., La maggior parte delle molecole di ossigeno viene trasportata dai polmoni ai tessuti del corpo da un sistema di trasporto specializzato, che si basa sull’eritrocita—il globulo rosso. Gli eritrociti contengono una metalloproteina, l’emoglobina, che serve a legare le molecole di ossigeno all’eritrocita (Figura 1). L’eme è la porzione di emoglobina che contiene ferro ed è l’eme che lega l’ossigeno. Un eritrocita contiene quattro ioni di ferro e, per questo motivo, ogni eritrocita è in grado di trasportare fino a quattro molecole di ossigeno., Poiché l’ossigeno si diffonde attraverso la membrana respiratoria dall’alveolo al capillare, si diffonde anche nel globulo rosso ed è legato dall’emoglobina. La seguente reazione chimica reversibile descrive la produzione del prodotto finale, l’ossiemoglobina (Hb–O2), che si forma quando l’ossigeno si lega all’emoglobina. L’ossiemoglobina è una molecola di colore rosso vivo che contribuisce al colore rosso vivo del sangue ossigenato.

Hb + O2 ↔ Hb-O2

In questa formula, Hb rappresenta l’emoglobina ridotta, cioè l’emoglobina che non ha ossigeno legato ad essa., Ci sono molteplici fattori coinvolti nel modo in cui prontamente l’eme si lega e si dissocia dall’ossigeno, che sarà discusso nelle sezioni successive.

Funzione dell’emoglobina

L’emoglobina è composta da subunità, una struttura proteica che viene definita struttura quaternaria. Ciascuna delle quattro subunità che compongono l’emoglobina è disposta in modo simile ad un anello, con un atomo di ferro legato covalentemente all’eme al centro di ciascuna subunità. Il legame della prima molecola di ossigeno provoca un cambiamento conformazionale nell’emoglobina che consente alla seconda molecola di ossigeno di legarsi più facilmente., Poiché ogni molecola di ossigeno è legata, facilita ulteriormente il legame della molecola successiva, fino a quando tutti e quattro i siti eme sono occupati dall’ossigeno. Si verifica anche il contrario: dopo che la prima molecola di ossigeno si dissocia e viene “lasciata cadere” nei tessuti, la successiva molecola di ossigeno si dissocia più facilmente. Quando tutti e quattro i siti eme sono occupati, si dice che l’emoglobina sia satura. Quando uno o tre siti di eme sono occupati, si dice che l’emoglobina sia parzialmente satura., Pertanto, quando si considera il sangue nel suo complesso, la percentuale delle unità eme disponibili che sono legate all’ossigeno in un dato momento è chiamata saturazione dell’emoglobina. La saturazione dell’emoglobina del 100 percento significa che ogni unità eme in tutti gli eritrociti del corpo è legata all’ossigeno. In un individuo sano con normali livelli di emoglobina, la saturazione dell’emoglobina varia generalmente dal 95% al 99%.

La dissociazione dell’ossigeno dall’emoglobina

La pressione parziale è un aspetto importante del legame dell’ossigeno e della dissociazione dall’eme., Una curva di dissociazione ossigeno-emoglobina è un grafico che descrive la relazione tra pressione parziale e legame dell’ossigeno all’eme e la sua successiva dissociazione dall’eme (Figura 2). Ricorda che i gas viaggiano da un’area di pressione parziale superiore a un’area di pressione parziale inferiore. Inoltre, l’affinità di una molecola di ossigeno per l’eme aumenta man mano che più molecole di ossigeno sono legate. Pertanto, nella curva di saturazione ossigeno–emoglobina, all’aumentare della pressione parziale dell’ossigeno, un numero proporzionalmente maggiore di molecole di ossigeno è legato dall’eme., Non sorprendentemente, la curva di saturazione/dissociazione ossigeno-emoglobina mostra anche che minore è la pressione parziale dell’ossigeno, meno molecole di ossigeno sono legate all’eme. Di conseguenza, la pressione parziale dell’ossigeno svolge un ruolo importante nel determinare il grado di legame dell’ossigeno all’eme nel sito della membrana respiratoria, nonché il grado di dissociazione dell’ossigeno dall’eme nel sito dei tessuti corporei.

Figura 2., Questi tre grafici mostrano (a) la relazione tra la pressione parziale dell’ossigeno e la saturazione dell’emoglobina, (b) l’effetto del pH sulla curva di dissociazione ossigeno–emoglobina e (c) l’effetto della temperatura sulla curva di dissociazione ossigeno–emoglobina.

I meccanismi alla base della curva di saturazione / dissociazione ossigeno–emoglobina servono anche come meccanismi di controllo automatico che regolano la quantità di ossigeno erogata a diversi tessuti in tutto il corpo. Questo è importante perché alcuni tessuti hanno un tasso metabolico più elevato rispetto ad altri., I tessuti altamente attivi, come i muscoli, usano rapidamente l’ossigeno per produrre ATP, abbassando la pressione parziale dell’ossigeno nel tessuto a circa 20 mm Hg. La pressione parziale dell’ossigeno all’interno dei capillari è di circa 100 mm Hg, quindi la differenza tra i due diventa piuttosto alta, circa 80 mm Hg. Di conseguenza, un numero maggiore di molecole di ossigeno si dissocia dall’emoglobina e entra nei tessuti. Il contrario è vero per i tessuti, come adiposo (grasso corporeo), che hanno tassi metabolici più bassi., Poiché meno ossigeno viene utilizzato da queste cellule, la pressione parziale dell’ossigeno all’interno di tali tessuti rimane relativamente alta, con conseguente minor numero di molecole di ossigeno che si dissociano dall’emoglobina e entrano nel liquido interstiziale del tessuto. Anche se si dice che il sangue venoso sia deossigenato, un po ‘ di ossigeno è ancora legato all’emoglobina nei suoi globuli rossi. Ciò fornisce una riserva di ossigeno che può essere utilizzata quando i tessuti richiedono improvvisamente più ossigeno.

Fattori diversi dalla pressione parziale influenzano anche la curva di saturazione/dissociazione ossigeno–emoglobina., Ad esempio, una temperatura più elevata favorisce la dissociazione dell’emoglobina e dell’ossigeno più velocemente, mentre una temperatura più bassa inibisce la dissociazione (vedi Figura 2b). Tuttavia, il corpo umano regola strettamente la temperatura, quindi questo fattore non può influenzare lo scambio di gas in tutto il corpo. L’eccezione a questo è nei tessuti altamente attivi, che possono rilasciare una maggiore quantità di energia che viene emessa come calore. Di conseguenza, l’ossigeno si dissocia facilmente dall’emoglobina, che è un meccanismo che aiuta a fornire ai tessuti attivi più ossigeno.,

Alcuni ormoni, come gli androgeni, l’epinefrina, gli ormoni tiroidei e l’ormone della crescita, possono influenzare la curva di saturazione / dissociazione dell’ossigeno–emoglobina stimolando la produzione di un composto chiamato 2,3-bisfosfoglicerato (BPG) da parte degli eritrociti. BPG è un sottoprodotto della glicolisi. Poiché gli eritrociti non contengono mitocondri, la glicolisi è l’unico metodo con cui queste cellule producono ATP. BPG promuove la dissociazione dell’ossigeno dall’emoglobina. Pertanto, maggiore è la concentrazione di BPG, più facilmente l’ossigeno si dissocia dall’emoglobina, nonostante la sua pressione parziale.,

Il pH del sangue è un altro fattore che influenza la curva di saturazione/dissociazione ossigeno–emoglobina (vedi Figura 2). L’effetto Bohr è un fenomeno che deriva dalla relazione tra pH e affinità dell’ossigeno per l’emoglobina: un pH più basso e più acido favorisce la dissociazione dell’ossigeno dall’emoglobina. Al contrario, un pH più alto o più basico inibisce la dissociazione dell’ossigeno dall’emoglobina. Maggiore è la quantità di anidride carbonica nel sangue, più molecole devono essere convertite, che a sua volta genera ioni idrogeno e quindi abbassa il pH del sangue., Inoltre, il pH del sangue può diventare più acido quando alcuni sottoprodotti del metabolismo cellulare, come l’acido lattico, l’acido carbonico e l’anidride carbonica, vengono rilasciati nel flusso sanguigno.

Emoglobina del feto

Il feto ha la propria circolazione con i propri eritrociti; tuttavia, dipende dalla madre per l’ossigeno. Il sangue viene fornito al feto tramite il cordone ombelicale, che è collegato alla placenta e separato dal sangue materno dal corion. Il meccanismo di scambio di gas al corion è simile allo scambio di gas alla membrana respiratoria., Tuttavia, la pressione parziale dell’ossigeno è inferiore nel sangue materno nella placenta, a circa 35-50 mm Hg, rispetto al sangue arterioso materno. La differenza di pressione parziale tra sangue materno e fetale non è grande, poiché la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue fetale alla placenta è di circa 20 mm Hg. Pertanto, non c’è tanta diffusione di ossigeno nel flusso sanguigno fetale. L’emoglobina del feto supera questo problema avendo una maggiore affinità per l’ossigeno rispetto all’emoglobina materna (Figura 3)., Sia l’emoglobina fetale che quella adulta hanno quattro subunità, ma due delle subunità dell’emoglobina fetale hanno una struttura diversa che fa sì che l’emoglobina fetale abbia una maggiore affinità per l’ossigeno rispetto all’emoglobina adulta.

Figura 3. Curve di dissociazione ossigeno-emoglobina nel feto e nell’adulto. L’emoglobina fetale ha una maggiore affinità per l’ossigeno rispetto all’emoglobina adulta.

Trasporto di anidride carbonica nel sangue

L’anidride carbonica viene trasportata da tre meccanismi principali., Il primo meccanismo di trasporto dell’anidride carbonica è il plasma sanguigno, poiché alcune molecole di anidride carbonica si dissolvono nel sangue. Il secondo meccanismo è il trasporto sotto forma di bicarbonato (HCO3–), che si dissolve anche nel plasma. Il terzo meccanismo del trasporto di anidride carbonica è simile al trasporto di ossigeno da parte degli eritrociti.

Anidride carbonica disciolta

Sebbene l’anidride carbonica non sia considerata altamente solubile nel sangue, una piccola frazione—circa dal 7 al 10%—dell’anidride carbonica che si diffonde nel sangue dai tessuti si dissolve nel plasma., L’anidride carbonica disciolta viaggia quindi nel flusso sanguigno e quando il sangue raggiunge i capillari polmonari, l’anidride carbonica disciolta si diffonde attraverso la membrana respiratoria negli alveoli, dove viene poi espirata durante la ventilazione polmonare.

Tampone bicarbonato

Una grande frazione—circa il 70%—delle molecole di anidride carbonica che si diffondono nel sangue viene trasportata ai polmoni come bicarbonato. La maggior parte del bicarbonato viene prodotto negli eritrociti dopo che l’anidride carbonica si diffonde nei capillari e successivamente nei globuli rossi., L’anidrasi carbonica (CA) fa sì che l’anidride carbonica e l’acqua formino acido carbonico (H2CO3), che si dissocia in due ioni: bicarbonato (HCO3–) e idrogeno (H+). La formula riportata di seguito descrive questa reazione:

\text{CO}_2+\text{H}_2\text{O}\overset{\text{CA}}\longleftrightarrow\text{H}_2\text{CO}_3\to\text{H}^{+}+\text{HCO}_{3}^{−}

il Bicarbonato tende ad accumularsi negli eritrociti, in modo che non vi è una maggiore concentrazione di bicarbonato nel eritrociti rispetto nei dintorni di plasma sanguigno., Di conseguenza, parte del bicarbonato lascerà gli eritrociti e scenderà il suo gradiente di concentrazione

nel plasma in cambio di ioni cloruro (Cl–). Questo fenomeno è indicato come lo spostamento del cloruro e si verifica perché scambiando uno ion negativo con un altro ion negativo, né la carica elettrica degli eritrociti né quella del sangue vengono alterate.

Nei capillari polmonari, la reazione chimica che ha prodotto il bicarbonato (mostrato sopra) è invertita e l’anidride carbonica e l’acqua sono i prodotti., Gran parte del bicarbonato nel plasma rientra negli eritrociti in cambio di ioni cloruro. Gli ioni idrogeno e gli ioni bicarbonato si uniscono per formare acido carbonico, che viene convertito in anidride carbonica e acqua dall’anidrasi carbonica. L’anidride carbonica si diffonde dagli eritrociti e nel plasma, dove può ulteriormente diffondersi attraverso la membrana respiratoria negli alveoli da espirare durante la ventilazione polmonare.

Carbaminoemoglobina

Circa il 20% dell’anidride carbonica è legato dall’emoglobina e viene trasportato ai polmoni., L’anidride carbonica non si lega al ferro come fa l’ossigeno; invece, l’anidride carbonica lega le porzioni di amminoacidi sulle porzioni globiniche dell’emoglobina per formare carbaminoemoglobina, che si forma quando l’emoglobina e l’anidride carbonica si legano. Quando l’emoglobina non trasporta ossigeno, tende ad avere un tono bluastro-viola, creando il colore marrone più scuro tipico del sangue deossigenato., La seguente formula descrive questa reazione reversibile:

\text{CO}_2+\text{Hb}\longleftrightarrow\text{HbCO}_2

Simile al trasporto di ossigeno da parte dell’eme, il legame e la dissociazione dell’anidride carbonica da e verso l’emoglobina dipendono dalla pressione parziale dell’anidride carbonica. Poiché l’anidride carbonica viene rilasciata dai polmoni, il sangue che lascia i polmoni e raggiunge i tessuti corporei ha una pressione parziale inferiore di anidride carbonica rispetto a quella che si trova nei tessuti., Di conseguenza, l’anidride carbonica lascia i tessuti a causa della sua maggiore pressione parziale, entra nel sangue e poi si sposta nei globuli rossi, legandosi all’emoglobina. Al contrario, nei capillari polmonari, la pressione parziale dell’anidride carbonica è elevata rispetto agli alveoli. Di conseguenza, l’anidride carbonica si dissocia facilmente dall’emoglobina e si diffonde attraverso la membrana respiratoria nell’aria.,

Oltre alla pressione parziale dell’anidride carbonica, la saturazione di ossigeno dell’emoglobina e la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue influenzano anche l’affinità dell’emoglobina per l’anidride carbonica. L’effetto Haldane è un fenomeno che deriva dalla relazione tra la pressione parziale dell’ossigeno e l’affinità dell’emoglobina per l’anidride carbonica. L’emoglobina satura di ossigeno non lega facilmente l’anidride carbonica. Tuttavia, quando l’ossigeno non è legato all’eme e la pressione parziale dell’ossigeno è bassa, l’emoglobina si lega prontamente all’anidride carbonica.,

Capitolo Recensione

L’ossigeno viene principalmente trasportato attraverso il sangue dagli eritrociti., Queste cellule contengono una metalloproteina chiamata emoglobina, che è composta da quattro subunità con una struttura ad anello. Ogni subunità contiene un atomo di ferro legato ad una molecola di eme. L’eme lega l’ossigeno in modo che ogni molecola di emoglobina possa legare fino a quattro molecole di ossigeno. Quando tutte le unità eme nel sangue sono legate all’ossigeno, l’emoglobina è considerata satura. L’emoglobina è parzialmente satura quando solo alcune unità eme sono legate all’ossigeno., Una curva di saturazione/dissociazione ossigeno–emoglobina è un modo comune per descrivere la relazione di quanto facilmente l’ossigeno si lega o si dissocia dall’emoglobina in funzione della pressione parziale dell’ossigeno. Con l’aumentare della pressione parziale dell’ossigeno, più facilmente l’emoglobina si lega all’ossigeno. Allo stesso tempo, una volta che una molecola di ossigeno è legata dall’emoglobina, ulteriori molecole di ossigeno si legano più facilmente all’emoglobina., Altri fattori come la temperatura, il pH, la pressione parziale dell’anidride carbonica e la concentrazione di 2,3-bisfosfoglicerato possono migliorare o inibire il legame dell’emoglobina e dell’ossigeno. L’emoglobina fetale ha una struttura diversa rispetto all’emoglobina adulta, che si traduce in emoglobina fetale con una maggiore affinità per l’ossigeno rispetto all’emoglobina adulta.

L’anidride carbonica viene trasportata nel sangue da tre diversi meccanismi: come anidride carbonica disciolta, come bicarbonato o come carbaminoemoglobina. Una piccola porzione di anidride carbonica rimane., La più grande quantità di anidride carbonica trasportata è il bicarbonato, formato negli eritrociti. Per questa conversione, l’anidride carbonica viene combinata con acqua con l’aiuto di un enzima chiamato anidrasi carbonica. Questa combinazione forma acido carbonico, che si dissocia spontaneamente in ioni bicarbonato e idrogeno. Quando il bicarbonato si accumula negli eritrociti, viene spostato attraverso la membrana nel plasma in cambio di ioni cloruro da un meccanismo chiamato spostamento del cloruro., Nei capillari polmonari, il bicarbonato rientra negli eritrociti in cambio di ioni cloruro e la reazione con l’anidrasi carbonica viene invertita, ricreando anidride carbonica e acqua. L’anidride carbonica si diffonde quindi dall’eritrocita e attraverso la membrana respiratoria nell’aria. Una quantità intermedia di anidride carbonica si lega direttamente all’emoglobina per formare carbaminoemoglobina. Le pressioni parziali di anidride carbonica e ossigeno, così come la saturazione di ossigeno dell’emoglobina, influenzano il modo in cui l’emoglobina lega facilmente l’anidride carbonica., L’emoglobina meno satura è e minore è la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue, più facilmente l’emoglobina si lega all’anidride carbonica. Questo è un esempio dell’effetto Haldane.

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