Luento 5. Eläinten hengitys ja kaasujen vaihto (Campbell & Reece, luku 42)Campbell & Reece Hengitys: Ventilaatio  Kaasujen kuljetus  Soluhengitys

Kaasujenvaihdon merkitys aineenvaihdunnalle Kaasujen siirtyminen diffuusion avulla hengitettävän väliaineen ja hengityspinnan välillä. Myös diffuusiolla veren ja kudosten välillä.

Hengitys, yleisiä periaatteita O 2 ja CO 2 vaihto tapahtuu passiivisesti diffuusion avulla suuremmasta kaasun osapaineesta pienemmän suuntaan Jotta diffuusio tehokasta, hengitysepiteelin pinta-ala oltava mahdollisimman suuri ja diffuusiomatka mahdollisimman lyhyt Hengitysepiteeli yksisolukerroksinen, µm paksu. Ihmisen keuhkojen kaasujenvaihtopinta-ala m 2 (vrt. iho n. 2 m 2 ). Alle 0,5 mm:n läpimittaisille eläimille pelkkä diffuusio ulkopinnan kautta riittää, suuremmilla eläimillä kaasujenvaihto erikoistuneen hengitysepiteelin kautta

Kaasujen vaihto tapahtuu useissa vaiheissa 1)Fluidin (= neste tai ilma) pumppaus hengitysliikkeillä  hengitysepiteeli saa pinnalleen jatkuvasti uutta ilmaa (keuhkot) tai vettä (kidukset) = ventilaatio 2)O 2 ja CO 2 diffuusio hengitysepiteelin läpi 3)Kaasujen kuljetus veressä 4)O 2 ja CO 2 diffuusio hiussuonien seinämien läpi ja solujen mitokondrioiden kalvojen läpi

Kaasujen kuljetus veressä Kaasujen siirtyminen diffuusiolla perustuu osapaine-eroihin Ilma koostuu useista kaasuista, ilman kokonaispaine merenpinnan tasolla 760 mmHg Happea ilmassa n. 21%, osapaine hapelle (PO 2 ) 0,21 X 760 = 160 mmHg PCO 2 = 0,23 mmHg

Kukin kaasu siirtyy diffuusion avulla suuremmasta osapaineesta pienempään Kudoksissa soluhengitys  PO 2  ja PCO 2 

Hapen kuljetus veressä Normaalissa ruumiinlämpötilassa ja ilmanpaineessa keuhkoissa litraan veressä olevaa nestettä liukenisi happea ~4,5 ml (rasituksessa hapenkulutus jopa 2 l/min  sydämen pitäisi pumpata verta satoja litroja minuutissa!!!) Happi ei liukene veressä olevaan veteen vaan sitoutuu tiettyihin proteiinien ja metalli-ionien muodostamiin hengityspigmentteihin (selkärankaisilla hemoglobiini) Nisäkkäillä hemoglobiinin avulla vereen voi sitoutua litraan verta jopa 200 ml happea Selkärangattomien hengityspigmenttejä: – Hemerytriini (Brachiopoda, Annelida) – Klorokruoriini (Annelida) – Hemosyaniini (Mollusca, Arthropoda) – Hemoglobiini (useita selkärangattomien taksoneja)

Hemoglobiini Hb 4 globiiniproteiinimolekyyliä (alfa, beeta), kunkin ”taskussa” yksi hemiyksikkö Jokainen hemi sitoo yhden happimolekyylin (ei- kovalenttinen sidos) Hemin rauta (Fe 2+ ) sitoo hapen

Selkärankaisten hemoglobiini ei vapaana, vaan punaisten verisolujen sisällä Hemoglobiini sitoo hapen keuhkoissa ja vapauttaa kudoksissa (oksihemoglobiini  deoksihemoglobiini) Hemoglobiinimolekyylin neljän alayksikön välillä toiminnallista riippuvuutta: O 2 sitoutuu yhteen alayksikköön  muiden alayksiköiden muoto muuttuu hieman  hapen sitoutuminen tehostuu loppuihin alayksiköihin O 2 irtoaa yhdestä alayksiköstä  muiden alayksiköiden muoto muuttuu hieman  O 2 irtoaa lopuista alayksiköistä Myoglobiini (Mb) vastaa rakenteeltaan yhtä hemoglobiini- alayksikköä Varastoi happea selkärankaisten lihaksissa (luovuttaa happea kun lihasten hapensaanti vähenee)

Keuhkoissa: Hb:n konformaatio muuttuu yhden happimolekyylin sitoutuessa – seuraavien molekyylien sitoutuminen helpottuu. Kudoksissa käänteinen reaktio.

Hb:n hemi muuttuu ”taipuneesta” planaariseksi hapen sitoutuessa

Montako O 2 molekyyliä yksi punasolu kuljettaa? Punasolussa n. 30 pg Hb/solu = 30  g M Hb = Yhdessä punasolussa siis 30  / mol Hb = 4.4  mol 1 mol = 6.02  molekyyliä (Avogradron luku) (4.4  )  6.02  = n hemiä/Hb  n. 1,06 miljardia O 2 -molekyyliä/solu!

PO 2 ja hemoglobiiniin saturaatioaste (T b =37°C, pH = 7,4) Vrt. ilma 160 mmHg

pH ja hemoglobiiniin saturaatioaste (T b =37°C): Bohrin efekti Aktiivisten kudosten pH laskee (CO 2 muodostaa veden kanssa hiilihappoa H 2 CO 3 ) [H + ] kasvu (pH  ) heikentää hapen sitoutumista hemoglobiiniin Aktiivinen kudos saa pH:n laskiessa hemoglobiinin luovuttamaan happea helpommin Keuhkoissa CO 2 poistuu, pH   hapen sitoutuminen hemoglobiiniin 

Bohrin efekti hemosyaniinilla

Happi sitoutuu myoglobiiniin helpommin kuin hemoglobiiniin

Happi sitoutuu helpommin sikiön kuin äidin hemoglobiiniin (sikiöllä erilainen globiiniosa, 2 alfa + 2 gamma) Sikiön hemoglobiini

Punasolujen 2,3-bisfosfoglyseraatti (2,3-BPG) sitoutuu allosteerisesti hemoglobiiniin, hapen uudelleen sitoutuminen vaikeutuu  hapen luovutus tehostuu 2,3-BPG lisääntyy korkeassa ilmanalassa (vaatii > vrk), myös anemiassa ym. tautitiloissa Glykolyysin sivutuote (1,3-BPG  2,3-BPG) 1 ATP menetetään

Myös lämpötila vaikuttaa! Yhteenveto: kudoksissa keuhkoissa Hb:n saturaation laskukone!

Häkä CO Hb:n affiniteetti 230-kertainen happeen verrattuna Mb:n affiniteetti 60-kertainen Sitoutuu myös mitokondrion hengitysketjun sytokromeihin Pysyvä sitoutuminen Heikentää hapensaantia kahdella tavalla Syrjäyttää hapen hemoglobiinista Siirtää saturaatiokäyrää vasemmalle  Hb pitää ”tiukemmin kiinni” hapesta  O 2 ei vapaudu kudoksissa

Hiilidioksidin kuljetus veressä CO 2 kuljetetaan veressä kolmessa eri muodossa: 1)Fysikaalisesti plasmaan liuenneena (~10%) liuenneen CO 2 :n osuus kasvaa lineaarisesti PCO 2 :n kasvaessa CO 2 liukoisuus on 20 kertaa suurempi kuin O 2 :n liukoisuus 2)karbaminoyhdisteinä (~ 22%) CO 2 liittyy reversiibelisti veressä olevien proteiinien ionisoitumattomiin aminoryhmiin (-NH 2 ) pääasialliset kohdat hemoglobiinin 4 terminaalista aminoryhmää 3)Bikarbonaatti-ioneina (HCO 3- ) (~ 68%) bikarbonaatti-ioni muodostuu CO 2 :n hydraatioreaktiossa, jota kiihdyttää hiilihappoanhydraasi: CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - punasolut välttämättömiä HCO 3 - :n tuotannolle koska hiilihappoanhydraasia veressä vain punasolujen sisällä

Hiilidioksidin kuljetus veressä Deoksihemoglobiini (hapen luovuttanut hemoglobiini) toimii protonin vastaanottajana helpottaen siten bikarbonaatin muodostumista Hemoglobiinin deoksigenaatio helpottaa hiilidioksidin sitoutumista= Haldanen efekti (keuhkoissa vastakkainen, O2 sitoutuu  CO2 irtoaa helpommin Karbaminoyhdisteiden muodostuminen.

Nisäkkään hengityselimistö

Nisäkkäiden keuhkot hyvin elastiset, tilavuus voi kasvaa useita litroja (ihmisellä) Keuhkoja ympäröi kaksilehtinen umpinainen sidekudospussi, keuhkopussi Keuhkopussin lehtien väliin muodostuu keuhkopussinontelo eli pleuraontelo, josta ei ole ilmayhteyttä ulos Keuhkopussin tehtävänä vähentää hengityksen aikana syntyvää kitkaa (keuhkopussin lehdet sileitä, pleuraontelossa liukastavaa nestettä) Keuhkopussissa on jatkuvasti pieni alipaine mikä johtuu siitä, että keuhkot pyrkivät menemään kasaan sekä lisäksi rintaontelo pyrkii laajenemaan

Keuhkotuuletus l. ventilaatio a)Rintakehän kohotessa ja pallean supistuessa rintaontelon (ja keuhkopussin) tilavuus  b)Pallea levossa hengityssyklin alussa c)Sisäänhengitys: rintaontelon tilavuus , rintaontelon sisäinen paine   keuhkot laajenevat, keuhkojen sisäinen paine   ilma virtaa keuhkoihin d)Uloshengitys: rintakehä painuu alaspäin, pallea relaksoituu  rintaontelon tilavuus   keuhkojen tilavuus , paine keuhkoissa   ilma virtaa ulos keuhkoista

Hengityslihakset pallea tärkein

Lihasten käyttö sisäänhengityksessä Sisäänhengitys on aktiivinen prosessi, johon voi osallistua useita lihasryhmiä:  Pallean supistuessa rintaontelon ylöspäin kaareutuva lattia tasoittuu painumalla alaspäin. Levossa sisäänhengityksessä n. 75% ilmanvirtauksesta pallean supistumisen ansiota  Ulommat kylkiluidenväliset lihakset avustavat sisäänhengitystä kohottamalla kylkiluita ja rintakehää (n. 25% osuus ilmanvirtauksesta lepohengityksessä)  Sisäänhengitystä avustavat lihakset (m. pectoralis minor, serratus anterior jne.) nopeuttavat ja laajentavat kylkiluiden liikettä ylöspäin

Lihasten käyttö uloshengityksessä Uloshengitys passiivista (sisäänhengityslihasten relaksoitumista) levossa tai aktiivista hengityksen tehostuessa Aktiivisessa uloshengityksessä mukana:  Sisemmät kylkiluidenväliset lihakset painavat kylkiluita alaspäin pienentäen rintaontelon leveyttä ja syvyyttä dorsaali-ventraalisuunnassa  Vatsan lihakset (mm. rectus abdominis) avustavat sisempiä kylkiluidenvälisiä lihaksia supistamalla vatsaa ja pakottamalla palleaa eteenpäin

Hengitystavat Rauhallinen hengitys l. eupnea  Palleahengitys  Kylkiluuhengitys Raskauden loppuvaiheessa merkitys kasvaa Pakotettu hengitys l. hyperpnea  Sekä sisään- että uloshengitys aktiivista

Hengitystiheys ja keuhkotilavuudet Hengityksen minuuttitilavuus V E Hengitystiheys f Kertahengitystilavuus V T V E = f x V T – Esim. ihmisellä levossa V = 12 min -1 x 500 ml = 6000 ml·min -1 Anatomiseksi kuolleeksi tilaksi (dead space, V D ) kutsutaan hengitysteiden tilavuutta, sillä niihin jäävä ilmamäärä ei osallistu kaasujen vaihtoon. Ihmisellä n. 150 ml Alveolaarinen ventilaatio V A, ilmatilavuus, joka saavuttaa alveolit minuutissa V A = f x (V T – V D ) – Ihmisellä n. 4,2 l min -1 (12 x 350 ml)

Esim. joutsenella erityisen laaja anatominen kuollut tila

Tidal volume = kertahengitystilavuus IRV = sisäänhengityksen varailma ERV = uloshengityksen varailma Residual volume = jäännösilma

Hengitykseen liittyviä termejä Anoksia = hapen täydellinen puuttuminen Hypoksia = hapenpuute Syanoosi = ihon sinertäminen deoksihemoglobiinin pitoisuuden kasvaessa kapillaareissa Karboksihemoglobiini = häkää sitonut hemoglobiini (CO- Hb), pysyvä yhdiste Apnea = hengityskatkos Hypoventilaatio = alveolaarinen ventilaatio pienempi kuin aineenvaihdunnallinen tarve Hyperventilaatio = alveolaarinen ventilaatio suurempi kuin aineenvaihdunnallinen tarve Hyper/hypokapnia = veressä liikaa/liian vähän CO 2 :ta  pH (hypokapnia  alkaloosi!)

Mihin kudoksiin kuljetettu happi joutuu? Suurin osa mitokondrioiden hengitysketjuun  4(H + +e - ) +O 2  2 H 2 O Pieni määrä peroksisomeihin (O 2  H 2 O 2 ) Mistä tulee CO 2 :n happi? Vesi liittyy orgaanisiin molekyyleihin hydrolyysissä (-OH), esim. glukoosi, joka tulee ravinnon mukana CO 2 lohkeaa mm. sitruunahappokierrossa