39.4: Transporte de Gases en Fluidos Corporales Humanos
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- Describir cómo el oxígeno se une a la hemoglobina y se transporta a los tejidos corporales
- Explicar cómo se transporta el dióxido de carbono de los tejidos corporales a los pulmones
Una vez que el oxígeno se difunde a través de los alvéolos, ingresa al torrente sanguíneo y se transporta a los tejidos donde se descarga, y el dióxido de carbono se difunde fuera de la sangre y hacia los alvéolos para ser expulsado del cuerpo. Aunque el intercambio de gases es un proceso continuo, el oxígeno y el dióxido de carbono son transportados por diferentes mecanismos.
Transporte de Oxígeno en la Sangre
Aunque el oxígeno se disuelve en la sangre, sólo una pequeña cantidad de oxígeno se transporta de esta manera. Sólo 1.5 por ciento del oxígeno en la sangre se disuelve directamente en la propia sangre. La mayor parte del oxígeno, el 98,5 por ciento, se une a una proteína llamada hemoglobina y se transporta a los tejidos.
Hemoglobina
La hemoglobina, o Hb, es una molécula proteica que se encuentra en los glóbulos rojos (eritrocitos) compuesta por cuatro subunidades: dos subunidades alfa y dos subunidades beta (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada subunidad rodea un grupo hemo central que contiene hierro y se une a una molécula de oxígeno, permitiendo que cada molécula de hemoglobina se una a cuatro moléculas de oxígeno. Las moléculas con más oxígeno unido a los grupos hemo son de color rojo más brillante. Como resultado, la sangre arterial oxigenada donde la Hb porta cuatro moléculas de oxígeno es de color rojo brillante, mientras que la sangre venosa que está desoxigenada es de color rojo más oscuro.
Es más fácil unir una segunda y tercera molécula de oxígeno a Hb que la primera molécula. Esto se debe a que la molécula de hemoglobina cambia su forma, o conformación, a medida que el oxígeno se une. El cuarto oxígeno es entonces más difícil de unir. La unión del oxígeno a la hemoglobina puede representarse como una función de la presión parcial de oxígeno en la sangre (eje x) versus la saturación relativa de Hb-oxígeno (eje y). El gráfico resultante, una curva de disociación de oxígeno, es sigmoidal o en forma de S (Figura\(\PageIndex{2}\)). A medida que aumenta la presión parcial del oxígeno, la hemoglobina se satura cada vez más de oxígeno.
Conexión de arte
Los riñones son los encargados de eliminar el exceso de iones H + de la sangre. Si los riñones fallan, ¿qué pasaría con el pH de la sangre y la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno?
Factores que afectan la unión de oxígeno
La capacidad de transporte de oxígeno de la hemoglobina determina cuánto oxígeno se transporta en la sangre. Además\(\text{P}_{\text{O}_2}\), otros factores ambientales y enfermedades pueden afectar la capacidad de carga y entrega de oxígeno.
Los niveles de dióxido de carbono, el pH de la sangre y la temperatura corporal afectan la capacidad de transporte de oxígeno (Figura\(\PageIndex{2}\)). Cuando el dióxido de carbono está en la sangre, reacciona con el agua para formar bicarbonato (\(\text{HCO}_3^-\)) e iones hidrógeno (H +). A medida que aumenta el nivel de dióxido de carbono en la sangre, se produce más H + y el pH disminuye. Este incremento en el dióxido de carbono y posterior disminución del pH reducen la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. El oxígeno se disocia de la molécula de Hb, desplazando la curva de disociación de oxígeno hacia la derecha. Por lo tanto, se necesita más oxígeno para alcanzar el mismo nivel de saturación de hemoglobina que cuando el pH era mayor. Un cambio similar en la curva también resulta de un aumento en la temperatura corporal. El aumento de la temperatura, como por el aumento de la actividad del músculo esquelético, hace que se reduzca la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
Enfermedades como la anemia falciforme y la talasemia disminuyen la capacidad de la sangre para suministrar oxígeno a los tejidos y su capacidad de transporte de oxígeno. En la anemia falciforme, la forma del glóbulo rojo es en forma de media luna, alargada y rígida, lo que reduce su capacidad para suministrar oxígeno (Figura\(\PageIndex{3}\)). De esta forma, los glóbulos rojos no pueden pasar a través de los capilares. Esto es doloroso cuando ocurre. La talasemia es una enfermedad genética poco frecuente causada por un defecto en la subunidad alfa o beta de la Hb. Los pacientes con talasemia producen un alto número de glóbulos rojos, pero estas células tienen niveles de hemoglobina inferiores a lo normal. Por lo tanto, la capacidad de transporte de oxígeno disminuye.
Transporte de Dióxido de Carbono en la Sangre
Las moléculas de dióxido de carbono son transportadas en la sangre desde los tejidos corporales a los pulmones por uno de tres métodos: disolución directamente en la sangre, unión a la hemoglobina, o transportada como un ion bicarbonato. Varias propiedades del dióxido de carbono en la sangre afectan su transporte. Primero, el dióxido de carbono es más soluble en sangre que el oxígeno. Alrededor del 5 al 7 por ciento de todo el dióxido de carbono se disuelve en el plasma. Segundo, el dióxido de carbono puede unirse a las proteínas plasmáticas o puede ingresar a los glóbulos rojos y unirse a la hemoglobina. Esta forma transporta alrededor del 10 por ciento del dióxido de carbono. Cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina, se forma una molécula llamada carbaminohemoglobina. La unión del dióxido de carbono a la hemoglobina es reversible. Por lo tanto, cuando llega a los pulmones, el dióxido de carbono puede disociarse libremente de la hemoglobina y ser expulsado del cuerpo.
En tercer lugar, la mayoría de las moléculas de dióxido de carbono (85 por ciento) son transportadas como parte del sistema tampón de bicarbonato. En este sistema, el dióxido de carbono se difunde hacia los glóbulos rojos. La anhidrasa carbónica (CA) dentro de los glóbulos rojos convierte rápidamente el dióxido de carbono en ácido carbónico (H 2 CO 3). El ácido carbónico es una molécula intermedia inestable que se disocia inmediatamente en iones bicarbonato (\(\text{HCO}_3^-\)) e iones hidrógeno (H +). Dado que el dióxido de carbono se convierte rápidamente en iones bicarbonato, esta reacción permite la captación continua de dióxido de carbono en la sangre por su gradiente de concentración. También resulta en la producción de iones H +. Si se produce demasiado H +, puede alterar el pH de la sangre. Sin embargo, la hemoglobina se une a los iones H + libres y por lo tanto limita los cambios en el pH. El ion bicarbonato recién sintetizado es transportado fuera del glóbulo rojo hacia el componente líquido de la sangre a cambio de un ion cloruro (Cl -); esto se denomina desplazamiento de cloruro. Cuando la sangre llega a los pulmones, el ion bicarbonato se transporta de nuevo al glóbulo rojo a cambio del ion cloruro. El ion H + se disocia de la hemoglobina y se une al ion bicarbonato. Esto produce el intermedio ácido carbónico, que se convierte de nuevo en dióxido de carbono a través de la acción enzimática del CA. El dióxido de carbono producido es expulsado a través de los pulmones durante la exhalación.
El beneficio del sistema de tampón de bicarbonato es que el dióxido de carbono se “absorbe” en la sangre con poco cambio en el pH del sistema. Esto es importante porque solo se necesita un pequeño cambio en el pH general del cuerpo para que resulte una lesión grave o la muerte. La presencia de este sistema de tampón de bicarbonato también permite que las personas viajen y vivan a grandes altitudes: Cuando la presión parcial de oxígeno y dióxido de carbono cambia a altas altitudes, el sistema de tampón de bicarbonato se ajusta para regular el dióxido de carbono mientras se mantiene el pH correcto en el cuerpo.
Intoxicación por Monóxido
Si bien el dióxido de carbono puede asociarse y disociarse fácilmente de la hemoglobina, otras moléculas como el monóxido de carbono (CO) no pueden. El monóxido de carbono tiene una mayor afinidad por la hemoglobina que el oxígeno. Por lo tanto, cuando el monóxido de carbono está presente, se une a la hemoglobina preferentemente sobre el oxígeno. Como resultado, el oxígeno no puede unirse a la hemoglobina, por lo que se transporta muy poco oxígeno a través del cuerpo (Figura\(\PageIndex{4}\)). El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro y, por lo tanto, es difícil de detectar. Es producido por vehículos y herramientas propulsados por gas. El monóxido de carbono puede causar dolores de cabeza, confusión y náuseas; la exposición a largo plazo puede causar daño cerebral o la muerte. La administración de oxígeno al 100 por ciento (puro) es el tratamiento habitual para la intoxicación por monóxido de carbono. La administración de oxígeno puro acelera la separación del monóxido de carbono de la hemoglobina.
Resumen
La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos que se compone de dos subunidades alfa y dos beta que rodean un grupo hemo que contiene hierro. El oxígeno se une fácilmente a este grupo hemo. La capacidad del oxígeno para unirse aumenta a medida que más moléculas de oxígeno se unen al hemo. Los estados de enfermedad y condiciones alteradas en el cuerpo pueden afectar la capacidad de unión del oxígeno, y aumentar o disminuir su capacidad de disociarse de la hemoglobina.
El dióxido de carbono puede transportarse a través de la sangre a través de tres métodos. Se disuelve directamente en la sangre, se une a proteínas plasmáticas o hemoglobina, o se convierte en bicarbonato. La mayor parte del dióxido de carbono se transporta como parte del sistema de bicarbonato. El dióxido de carbono se difunde en los glóbulos rojos. En su interior, la anhidrasa carbónica convierte el dióxido de carbono en ácido carbónico (H 2 CO 3), el cual posteriormente se hidroliza en bicarbonato (\(\text{HCO}_3^-\)) y H +. El ion H + se une a la hemoglobina en los glóbulos rojos, y el bicarbonato se transporta fuera de los glóbulos rojos a cambio de un ion cloruro. A esto se le llama el cambio de cloruro. El bicarbonato sale de los glóbulos rojos y entra en el plasma sanguíneo. En los pulmones, el bicarbonato se transporta de nuevo a los glóbulos rojos a cambio de cloruro. El H + se disocia de la hemoglobina y se combina con el bicarbonato para formar ácido carbónico con la ayuda de la anhidrasa carbónica, que cataliza aún más la reacción para convertir el ácido carbónico nuevamente en dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono es entonces expulsado de los pulmones.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): Los riñones son los encargados de eliminar el exceso de iones H + de la sangre. Si los riñones fallan, ¿qué pasaría con el pH de la sangre y la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno?
- Contestar
-
El pH de la sangre bajará y la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuirá.
Glosario
- sistema de búfer de bicarbonato
- sistema en la sangre que absorbe dióxido de carbono y regula los niveles de pH
- ion bicarbonato\(\text{HCO}_3^-\) ()
- creado cuando el ácido carbónico se disocia en H + y\((\ce{HCO3-})\)
- carbaminohemoglobina
- molécula que se forma cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina
- anhidrasa carbónica (CA)
- enzima que cataliza el dióxido de carbono y el agua en ácido carbónico
- cambio de cloruro
- intercambio de cloruro por cambio de bicarbonato dentro o fuera del glóbulo rojo
- grupo hemo
- grupo centralizado que contiene hierro que está rodeado por las subunidades alfa y beta de la hemoglobina
- hemoglobina
- molécula en los glóbulos rojos que puede unir oxígeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono
- capacidad de transporte de oxígeno
- cantidad de oxígeno que se puede transportar en la sangre
- curva de disociación de oxígeno
- curva que representa la afinidad del oxígeno por la hemoglobina
- anemia de células falciformes
- trastorno genético que afecta la forma de los glóbulos rojos y su capacidad para transportar oxígeno y moverse a través de los capilares
- talasemia
- trastorno genético raro que da como resultado la mutación de las subunidades alfa o beta de la hemoglobina, creando glóbulos rojos más pequeños con menos hemoglobina