Gaswisseling
Er is een verschil tussen gaswisseling en ademhaling. Ademhaling is het verversen van de lucht in de longen met behulp van een groot aantal spiergroepen. Gaswisseling is het proces in de capillairen waarbij de gassen als koolstofdioxide en zuurstof onderling worden uitgewisseld in het bloed. In de longen geeft bloed dat terugkomt van de organen koolstofdioxide af en neemt het zuurstof op. In de weefsels gebeurt dit ook nog een keer, maar dan precies omgekeerd. Het bloed neemt koolstofdioxide op uit de weefsels en geeft zuurstof af aan de weefsels.
Maar waarom ademen de meeste organismen de gehele dag? In de onderstaande illustratie wordt het nut van ademhaling uitgelegd. Organismen halen adem, omdat de cellen van het organisme zuurstof nodig hebben voor de celademhaling of dissimilatie. Zuurstof transport vindt plaats door de rode bloedcellen. De rode bloedcellen bezitten voor dit zuurstoftransport een speciaal eiwit genaamd hemoglobine. Hemoglobine bestaat eigenlijk uit vier samenwerkende eiwitten. Centraal in deze vier eiwitten ligt de heemgroep. Deze heemgroep bezit weer een ijzeratoom waaraan zuurstof zich kan binden. Hemoglobine dat zuurstof heeft gebonden noemen we oxyhemoglobine. Hemoglobine zonder gebonden zuurstof noemen we deoxyhemoglobine.
Bij ademhaling neemt het hemoglobine van de rode bloedcellen zuurstof op in de longen en geeft het hemoglobine en het bloedplasma koolstofdioxide af aan de longen. De opgenomen zuurstof wordt getransporteerd naar de mitochondriën van de cellen. Met behulp van deze zuurstof wordt in een proces dat we verbranding noemen glucose afgebroken tot CO2, H2O en energie. De vrijgekomen energie bestaat uit ATP en warmte.
Zuurstofaffiniteit van hemoglobine (Hb)
Alle cellen in het lichaam hebben behoefte aan zuurstof en voedingsstoffen voor de dissimilatie. Zuurstof wordt door diffusie opgenomen in het bloed in de longen en zuurstof wordt in de weefsels weer afgegeven. Rode bloedcellen zorgen voor het transport van zuurstof. In de rode bloedcellen zit een speciaal eiwit, hemoglobine, met een variabele affiniteit voor zuurstof. In een omgeving waar: veel zuurstof is, een relatief lage temperatuur heerst en een basisch milieu, heeft het hemoglobine een hoge affiniteit voor zuurstof. Het neemt dan erg graag zuurstof op. Verandert het milieu van de rode bloedcel naar een omgeving met een hoge temperatuur, een lage zuurstofconcentratie en een relatief zuur milieu, dan verliest het hemoglobine zijn liefde voor zuurstof. Het hemoglobine zal dan zuurstof afgeven.
Hoeveel zuurstof hemoglobine in de weefsels afgeeft is dus afhankelijk van de weefsels waar de rode bloecel met hemoglobine doorheen stroomt. Rode bloedcellen die terugstromen naar de longen zullen dus allemaal nog op een andere manier verzadigd zijn met zuurstof. De verzadigingspecentages in onderstaande afbeelding zijn arbitrair en verzonnen om het principe van zuurstofafgifte en zuurstofverzadiging uit te leggen.
Hemoglobine dat zuurstof heeft opgenomen in de longen noemen we oxyhemoglobine. In de weefsels, waar de abiotische factoren anders zijn dan in de longen zal oxyhemoglobine zuurstof afstaan. Oxyhemoglobine veranderd dan in de weefsels in deoxyhemoglobine. De vrijgekomen zuurstof zal richting de cellen en weefsels diffunderen en daar gebruikt worden voor het verbrandingsproces. Hemoglobine wil eigenlijk nog liever koolstofdioxide binden dan zuurstof. Hoewel in de weefsels de affiniteit van hemoglobine voor zuurstof afneemt is het nog wel in staat koolstofdioxide te binden. Hemoglobine wat terugstroomt via de aders kan dus zowel restanten zuurstof gebonden hebben, maar ook koolstofdioxide. Een ander deel van het opgenomen koolstofdioxide wordt opgelost in het bloedplasma vervoerd.
In de onderstaande film wordt bovenstaande les, en bovenstaande illustraties besproken.
Als de rode bloedcel in de dubbele bloedsomloop door het lichaam heen reist, komt het door de twee hierboven omschreven milieus. De rode bloedcel komt via de kleine bloedsomloop aan in de longen. Het milieu in de longen zorgt ervoor dat hemoglobine (Hb) een enorme affiniteit ontwikkelt voor zuurstof. De hemoglobine in de rode bloedcel zal in het milieu van de longen maximaal zuurstof opnemen. Alle hemoglobine zal daar voor 98% verzadigd zijn van zuurstof. Hemoglobine wordt in de longen oxyhemoglobine. Nu zal het verzadigde hemoglobine via het hart terechtkomen in de grote bloedsomloop. Zolang het bloed stoomt door de dikke slagaders zal er niets veranderen aan de liefde van het hemoglobine voor de meegenomen zuurstof. Het hemoglobine zal de zuurstof nog steeds omarmen. Vroeg of laat zullen de slagaders zich gaan vertakken tot kleinere slagadertjes om uiteindelijk te veranderen in capillairen. In deze capillairen komt het verzadigde hemoglobine voor het eerst terecht in een ander milieu. Het milieu van actieve weefsels. Deze actieve weefsels produceren warmte en CO2 en verbruiken O2. In dit milieu dat volledig tegengesteld is aan het milieu in de longen verandert de affiniteit van hemoglobine voor het zuurstof. De affiniteit neemt af. De omarming van het hemoglobine en de zuurstof meent af. Sterker: het hemoglobine laat de O2 los. De losgelaten O2 diffundeert naar de cellen die het nodig hebben voor de celademhaling. De affiniteit wordt echter nooit nul. Het hemoglobine reist altijd met een restvoorraad terug naar de longen. In de onderstaande afbeelding wordt de zuurstofafgifte (verlies aan affiniteit) in verschillende weefsels weergegeven. Uit de afbeelding blijkt: hoe hoger de CO2concentratie in de weefsels, des te lager de affiniteit van hemoglobine voor O2 in het betreffende weefsel, des te meer O2 wordt afgegeven. Des te minder O2 neemt de bloedcel (hemoglobine) terug richting de longen.
Veranderde affiniteit van hemoglobine voor zuurstof (Bohr-shift)
Als bloed door de capillairen van de longblaasjes stroomt, neemt het hemoglobine (Hb) daar maximaal zuurstof op. In goede milieuomstandigheden kan 100 ml bloed 20 ml zuurstof binden. Het Hb is dan voor 100% verzadigd met zuurstof. Stel je deze 20 ml zuurstof voor als een bekertje. Als het bloed langs de longen stroomt, is het bekertje tot aan de rand gevuld met 20 ml zuurstof. Via het hart en de grote bloedsomloop kan het bekertje per omloop door het lichaam langsstromen bij weefsels met verschillende dissimilatiesnelheden en dus verschillende zuurstofbehoeften. (Actieve spieren en hersenen dissimileren veel, vetweefsel weinig). Met behulp van bovenstaande zuurstofverzadigingsdiagrammen kan je makkelijk berekenen hoeveel zuurstof er uit het denkbeeldige bekertje wordt uitgeschonken in de diverse weefsels.
Het volledig volle bekertje met 20 ml zuustof komt via de grote bloedsomloop aan in een weefsel waar een zuurstofspanning heerst van 30 mm Hg (Zuurstofspanning van 30 mm Hg komt overeen met ongeveer 4% zuurstof) en bij spierweefsel waar veel CO2 is geproduceerd. Volgens de curve moet na het passeren van het weefsel het bekertje nog voor 38% gevuld zijn. Er is dan 62% zuurstof afgegeven aan het spierweefsel. Ging het bekertje met 20 ml zuurstof de aorta in, het zal de onderste holle ader instromen met nog maar 7,6 ml zuurstof in het bekertje. Er is 12,4 ml zuurstof afgegeven aan het spierweefsel.
Als het bekertje via de onderste holle ader, het hart en de longslagader weer aankomt bij de longen zal het bekertje daar weer tot aan het randje gevuld worden. Er komt opnieuw 20 ml zuurstof in het bekertje. Nu stroomt het bekertje echter niet langs actief spierweefsel, maar het neemt de afslag richting het onderhuidse vetweefsel. Volgens het zuurstofverzadigingsdiagram is daar ook weer ongeveer 4% zuurstof. Ook daar geeft het bekertje weer zuurstof af. Het verlaat het weefsel echter voor 75% verzadigd. Er is 25%, dus 5 ml zuurstof, achtergelaten in het vetweefsel. Het bekertje gaat terug richting de longen met nog 15 ml zuurstof in het bekertje.
Zuurstof en koolstofdioxide diffunderen door de membranen van de cellen heen. Dit transport kost de cel geen energie in de vorm van ATP. De richting waarheen de moleculen diffunderen is afhankelijk van de concentratieverschillen. Stoffen verplaatsen zich altijd van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie. Hoe deze diffusie plaatsvindt, is te zien in onderstaande video.
Transport van koolstofdioxide
In de weefsels wordt door dissimilatie in de mitochondriën koolstofdioxide geproduceerd. Koolstofdioxide is een afvalproduct en moet worden afgevoerd van de weefsels richting de longblaasjes. In de longblaasjes kan het koolstofdioxide worden uitgeademd. In de onderstaande illustratie is te zien dat koolstofdioxide op drie manieren van de weefsels naar de longen vervoerd kan worden. Deze drie manieren zijn: opgelost als koolstofdioxide in het bloed, gebonden aan hemoglobine, of met behulp van water omgezet in HCO3–.
Het in de weefsels geproduceerde koolstofdioxide wordt via het bloed naar de longen getransporteerd. In de longen wordt het geproduceerde koolstofdioxide uitgademd. Met kalkwater is het uitgeademde koolstofdioxide aan te tonen.
