הובלת פחמן דו חמצני וחמצן בדם

שירה שפירא, דניאלה הלברשטט וניצן שמאע

הקדמה: מערכת הנשימה (היבט ביולוגי)


תפקידה העיקרי של מערכת הנשימה הוא לדאוג לאספקה שוטפת של חמצן ולסילוק עודפי הפחמן הדו-חמצני מהגוף. תהליך הנשימה הוא תהליך חיוני לחיים. לחמצן יש חשיבות גדולה מפני שהוא ממלא תפקיד חשוב בתהליך הנשימה התאית ודרוש להפקת אנרגיה זמינה. בעזרת החמצן התאים מפיקים את האנרגיה הדרושה לנו לפעולות השונות, וכך אנו יכולים, למשל, להפעיל את השרירים או לחשוב. החמצן שנכנס לריאות נקלט במולקולות ההמוגלובין בדם, שתפקידן להוביל את החמצן לתאים דרך מערכת העורקים. התאים קולטים את החמצן ופולטים את הפחמן הדו-חמצני שנוצר בתהליך הנשימה התאית. הפחמן הדו-חמצני מגיע לריאות בחזרה דרך הוורידים ומשם נפלט החוצה בתהליך הנשיפה.

מסלול הובלת החמצן בגוף- היבטים כימיים, ביולוגיים והקשר ביניהם

במסלול הובלת החמצן יש מספר היבטים כימיים (עליהם נפרט בהמשך). לדוגמה:

· תהליך המסה

· תהליך פעפוע על פי מפל ריכוזים

במסלול הובלת החמצן יש מספר היבטים ביולוגיים, לדוגמה, התאמת מבנה ההמוגלובין לתפקודו כמוביל חמצן ופד"ח.

הקשר בין היבט הכימי לביולוגי במסלול הובלת חמצן בדם:

בשלב הראשון של התהליך האוויר נכנס לדם דרך הנימים הפזורים בכל רחבי נאדיות האוויר שבריאות. מולקולות החמצן, שנמצאות באוויר בצורת גז, נכנסות לנאדיות, עוברות בפעפוע את דופן כלי הדם ומתמוססות בנוזל הדם (הפלזמה). 98% מהחמצן המומס נקלט על ידי כדוריות הדם האדומות ורק שני אחוזים נשארים בתמיסה עצמה.

כדוריות הדם האדומות מותאמות היטב לנשיאת חמצן בזכות ההמוגלובין המצוי בהן – מולקולות מותאמות לקשירת חמצן. כל מולקולת המוגלובין מכילה ארבע מולקולות של "הם" (heme) – פיגמנט המכיל ברזל שנקשר לחמצן בקשר חלש והפיך. המוגלובין רווי בחמצן מקבל צבע אדום בהיר ונקרא אוקסיהמולגלובין (Oxyhemoglobin). צבעו של המוגלובין עני בחמצן הוא כחול סגלגל והוא נקרא דאוקסיהמוגלובין (Deoxyhemoglobin).

ה"הם" הוא מה שמאפשר לחמצן המומס בדם להיקשר לכדוריות הדם האדומות. החמצן המומס בדם נקשר להם באזורים עשירים בחמצן ומשתחרר ממנו כשכדורית הדם מגיעה לאזורים עניים בחמצן, ומשם עובר לתאים הזקוקים לחמצן.

ההמוגלובין פולט את החמצן כשכדוריות הדם האדומות עוברות בנימי דם ברקמות שבהן רמות החמצן או לחץ החמצן נמוכים. הלחץ החלקי של החמצן מייצג את כמות החמצן המומס בפלסמה. כאשר החמצן משתחרר לתוך תמיסת הדם, לחץ החמצן היחסי בנימים עולה יחסית ללחץ היחסי של החמצן ברקמות השכנות, ולכן החמצן יוצא מהנימים וחודר אל הרקמות הסמוכות הזקוקות לו.

הסרטון הבא מסביר את תהליך הובלת החמצן מהריאות לרקמות הגוף

Oxygen Transport

הקשר בין ההיבט הכימי להיבט הביולוגי

במסלול הובלת הפחמן-דו-חמצני יש מספר היבטים כימיים:

· תהליך המסה (של CO2 בדם)

· תגובה כימית בין ה CO2 למים ליצירת יונים של דן-פחמה ומימן

· קשירת מולקולת CO2 להמוגלובין

· מעבר חומרים על פי מפל ריכוזים

בתיאור מסלול הובלת הפד"ח הבא מוסברים ההיבטים הכימיים בהקשרם הביולוגי:

פחמן דו חמצני עובר מתאי הגוף, שם הוא נוצר בתהליך הנשימה התאית, אל נימי הדם בכל הרקמות על פי מפל הריכוזים הנוצר : ברקמות הגוף ריכוזו גבוה מאשר בנימי הדם המגיעים אל הרקמה.

הפחמן דו חמצני מובל במחזור הדם מהרקמות אל הריאות בשלושה מנגנונים :

1. כ- 10% מהפחמן דו חמצני מתמוססים בדם

2. 30% מהפחמן דו חמצני נקשרים להמוגלובין

3. כ – 60% מהפחמן דו חמצני מובלים בצורה של יון דו – פחמה HCO3- . יונים אלה נוצרים כאשר CO2 מגיב עם מים בפלסמה ונוצרת חומצה פחמתית (H2CO3) המתפרקת ליונים של דו-פחמה ומימן (ראו תמונה 1- התגובה הכימית):


קצב התגובה זניח בפלסמה בה משתתפת רק אחת מתוך 1000 מולקולות CO2. אולם בתוך תאי הדם האדומים המכילים אנזים קרבוניק אנהידראז קצב הריאקציה מוגבר פי 250 . באופן זה רמת הפחמן הדו חמצני בדם יורדת - דבר השומר על מפל הלחץ המאפשר תנועת CO2 מהרקמה אל הנוזל הבין תאי ומשם אל הדם. (ראו תמונה 2)

יוני הדו – פחמה HCO3- נוטים לצאת מתאי הדם האדומים אל הפלסמה. יוני המימן H+ נקשרים ע"י ההמוגלובין הפועל כמו בופר* ומבטיח שרמת החומציות

[ PH ] של הדם לא תעלה.

בנאדיות הריאה הלחץ החלקי של הפחמן הדו חמצני נמוך מזה שבנימים ומפל הלחץ מושך את התגובה בכיוון ההפוך : נוצרים מים ופחמן דו חמצני העוברים בפעפוע אל הנאדיות (ראו תמונה 3). האוויר שבנאדיות המועשר בפחמן דו חמצני ובאדי מים, משתחרר החוצה בנשיפה. בתהליך הזה מנוטרלים עודפי יוני מימן וכך נשמרת רמת החומציות של נוזלי הגוף – זוהי מערכת בופר* של מערכת הדם.

מערכת השתן מסלקת את יוני המימן העודפים מחוץ לגוף.


*בופר: הוא תמיסה המתנגדת לשינוי ברמת החומציות שלה. לבופרים חשיבות עליונה בביולוגיה, כיוון שתהליכים ביולוגיים רבים מתרחשים בצורה תקינה (ובקצב הרצוי) רק בטווח pH מצומצם. זאת כיוון שתהליכים ביולוגיים תלויים בתפקוד החלבונים, ובפרט האנזימים, ואלה מסוגלים לתפקד בצורה מיטבית ברמות חומציות מסוימות מאוד.

תמונה 1. תגובה כימית בין פד"ח למים לייצרת יוני דו-פחמה ומימן

Big image

תמונה 2. מעבר פד"ח מהרקמה לנוזל הבין תאי ומשם אל הדם

Big image

תמונה 3. מעבר פד"ח אל הנאדיות

Big image

מקורות מידע לעבודה

agribio.snunit.k12.il/Breath_site/main/unit_oxgen.html -הובלת חמצן בדם

www.kdror.co.il/studies/helpers/hammel.ppt- מלווה נשימה והובלת חמצן

אתר דווידיסון און ליין http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada

אתר ויקיפדיה, ערך "מחזור החמצן בגוף"

אתר ויקיפדיה, ערך "בופר"

אתר ויקיפדיה, ערך "פחמן דו חמצני"

אתר "review" : http://www.oxygen-review.com/human-body.html