αιμοσφαιρίνη, η αχθοφόρος της ζωής

Mαθιουδάκης Α. Γεώργιος  MD phD

Η αιμοσφαιρίνη  (http://respi-gam.net/node/3081)είναι το κύριο συστατικό των ερυθροκυττάρων και η οξυγονωμένη της μορφή ευθύνεται για το ζωηρό κόκκινο χρώμα του αρτηριακού αίματος. Κάθε ερυθροκύτταρο περιέχει περίπου 280 εκατομμύρια μόρια αιμοσφαιρίνης, καθένα από τα οποία περιέχει 4 άτομα σιδήρου )που είναι απαραίτητα για τη μεταφορά του Ο₂. Είναι σύμπλοκη πρωτεΐνη, μεγάλου μοριακού βάρους. Συντίθεται από 4 πεπτιδικές αλυσίδες αίμης∙ οι δύο (a-) αποτελούνται από 141 αμινοξέα και οι άλλες δύο (b-), από 146. Κάθε αίμη φέρει ένα άτομο Fe που μπορεί να συνδέει χαλαρά ένα O₂, χωρίς να μεταβάλλεται το δυναμικό του, αλλά παραμένοντας στην κατάσταση δισθενούς σιδήρου (Fe²⁺). Η στερεοχημική διαμόρφωση της αιμοσφαιρίνης επηρεάζει τον τρόπο δεσμεύσεως O₂ στην αίμη. Μετά τη σύνδεσή της μ’ ένα O₂, η a-αλυσίδα της αίμης μεταβάλλει το σχήμα της και παρασύρει την b-αλυσίδα σε αντίστοιχο μετασχηματισμό, ενισχύοντας, έτσι, τη χημική της συγγένεια με το O₂. Με τον τρόπο αυτό, συνδέεται ένα δεύτερο O₂, που συνεπάγεται περαιτέρω παραμόρφωση του μορίου και ενίσχυση της χημικής συγγένειας του με το O₂. 

 

Οι αυτοπυροδοτούμενες, διαδοχικές παραμορφώσεις, με τις συνακόλουθες διαδοχικές ενισχύσεις της χημικής συγγένειάς της με το Ο₂, εξασφαλίζουν τον πλήρη κορεσμό της. Κάθε gr Hb μπορεί να συνδεθεί με 1.34ml O₂.
  Μια από τις "συναρπαστικές" ιδιότητες  της αιμοσφαιρίνης είναι ότι αυξάνει τη χημική της συγγένεια με το Ο2, σε περιβάλλον πλούσιο σε Ο2, όπως στα τριχοειδή, γύρω από τις πνευμονικές κυψελίδες (φαινόμενο Bohr), ενώ η συγγένεια αυτή μειώνεται, και το οξυγόνο αποδεσμεύεται, σε περιβάλλον με αυξημένες συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακος (φαινόμενο Haldane), όπως στα τριχοειδή, γύρω από τους λειτουργούντες ιστούς. Έτσι, η αιμοσφαιρίνη αποφορτώνει οξυγόνο, μόνο στους ιστούς που "δουλεύουν", από τους οποίους αποσπά και το παραγόμενο σ΄αυτούς διοξείδιο του άνθρακα, ως παραποϊόν του αυξημένου μεταβολισμού τους.

Η ποσότητά της στο αίμα μετριέται σε γραμμάρια (g) αιμοσφαιρίνης ανά 100 κυβικά εκατοστά (cc) αίματος. Ο ενήλικος έχει συνήθως μέσο όρο αιμοσφαιρίνης 14 g/100 cc.Επομένως, κάθε  γρασμμάριο αιμοσφαιρίνης, στο αρτηριακό αίμα μπορεί να μεταφέρει μέχρι 19  ml O2. 
Οι φυσιολογικές τιμές είναι διαφορετικές για τους άνδρες (13.5-17.5 g/dl), παρ΄ό,τι για τις γυναίκες (11.5-15.5 g/dl). Ελαττωμένη ποσότητα αιμοσφαιρίνης, σημαίνει αναιμία, ενά αυξημένες τιμές δευτεροπαθή ερυθροκυττάρωση (παράγονται πολλά αιμοσφαίρια, επειδή ισχαιμούν οι νεφροί, ως ενδεικτικός αισθητήρας επαρκούς αιμοβρίθειας). 
 Η αιμοσφαιρινή είναι υπεύθυνη και για παθήσεις, οι οποίες όμως δε σχετίζονται με τη ποσότητά της, αλλά με μεταλλάξεις στα γονίδια που την κωδικοποιούν. Έχουν εντοπιστεί πάνω 300 παθήσεις σχετικές με αυτές τις μεταλλάξεις, όπως είναι για παράδειγμα η δρεπανοκυτταρική αναιμία. Οι αιμοσφιαρινοπάθειες είναι πρότυπο μελέτης για το πώς τα γονίδια σχετίζονται με ασθένειες.

Αναπνοή

Mαθιουδάκης Α. Γεώργιος  MD phD

  Η βασική, αλλά όχι μοναδική συνεισφορά του αναπνευστικού συστήματος στην ομοιοστασία του οργανισμού είναι η αναπνοή με την οποία αποσκοπείται η διάθεση στον οργανισμό ποσού Ο₂ [περίπου 250 ml/min, που είναι αναγκαία για την αερόβια μεταβολική του δραστηριότητα] και η απαγωγή της ποσότητας του CO₂ [περίπου  200 ml/min, που εκλύονται ως αποτέλεσμα μεταβολικών δράσεων]. 

   Οι μονοκυττάριοι οργανισμοί εξασφαλίζουν το αναγκαίο Ο₂ και αποβάλλουν το παραγόμενο CΟ₂ με μικροδιανομή μεταξύ του εξωτερικού και εσωτερικού τους περιβάλλοντος, που στηρίζεται στους νόμους διαχύσεως των αερίων. Με την αύξηση, όμως, του μεγέθους και της πολυπλοκότητας των οργανισμών, η τοπική μικροδιανομή των αερίων και η διάχυση δια της επιφάνειάς τους δεν είναι πλέον αρκετή για την ικανοποίηση των μεταβολικών τους αναγκών. Στους πολυκυττάριους οργανισμούς παρεμβάλλονται δύο πρόσθετα, ισχυρά, συστήματα για την εξυπηρέτηση της ανταλλαγής των αερίων: Ένας εξωτερικός εναλλάκτης αερίων (πνεύμονες και υποστηρικτικά όργανα) και ένα σύστημα μακροδιανομής (καρδιαγγειακό + αίμα και υποστηρικτικά όργανα). Με τα συστήματα αυτά εμπλουτίζεται το εσωτερικό περιβάλλον, από το οποίο τα κύτταρα ανταλλάσσουν αέρια με μηχανισμούς τοπικής διαχύσεως.

  Έτσι, η αναπνοή ολοκληρώνεται σε τέσσερις, οργανωμένες εν σειρά, λειτουργίες,

α.  τον πνευμονικό αερισμό· β. την οξυγόνωση του αίματος των πνευμονικών τριχοειδών (διάχυση αερίων δια της κυψελιδοτριχοειδικής μεμβράνης)· γ. τη μεταφορά του οξυγονωθέντος αίματος δια της πνευμονικής και συστηματικής κυκλοφορίας και, τέλος, δ. τη διάχυση των αναπνευστικών αερίων προς (ή από) τους περιφερικούς ιστούς. Έκπτωση οποιασδήποτε από τις λειτουργίες αυτές συνεπάγεται διαταραχή της μεγάλης ή μικρής αναπνοής, με αποτέλεσμα ανεπάρκεια ανταλλαγής αερίων, στους περιφερικούς ιστούς. 

 

  Το Ο₂ διανύει τη διαδρομή από την ατμόσφαιρα μέχρι το μιτοχόνδριο προωθούμενο: [α] με την ενδοπνευμονική ροή του αέρος και την ενδαγγειακή ροή του αίματος· [β] με την παθητική μετατόπιση από `περιοχές` που ευρίσκεται σε μεγάλη συγκέντρωση κι έτσι σε υψηλή μερική πίεση, προς `περιοχές` με μικρή συγκέντρωση και, επομένως, με χαμηλή πίεση και, [γ] χαλαρά συνδεδεμένο με την αιμοσφαιρίνη. Στη διαδρομή αυτή παρατηρείται μια προοδευτική κλίση πιέσεως από 150 mmHg υπό την οποία απαντά στην ατμόσφαιρα μέχρι ~ 5-22  mmHg υπό την οποία ευρίσκεται στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον [σημείο Pasteur]. Δεν είναι υπερβολή να υποστηριχθεί ότι η διάθεση Ο₂ στους ιστούς αποτελεί τη σπουδαιότερη φυσιολογική λειτουργία κάθε αερόβιου οργανισμού, αφού η ελάττωση της αποδόσεως Ο₂ συνεπάγεται ανεπίστρεπτες βλάβες σε ζωτικά όργανα ή και θάνατο.

 

Το CO₂ είναι το σημαντικότερο παραπροϊόν του κυτταρικού αερόβιου μεταβολισμού. Παράγεται, σχεδόν, αποκλειστικά, στα μιτοχόνδρια (μ), όπου παρατηρείται και η μέγιστη PμCΟ₂ [55 mmHg]. Η πίεση αυτή προοδευτικά μειώνεται κατά τη διαδρομή του προς τις κυψελίδες και στην ατμόσφαιρα (0 mmHg]. Το CO₂, όπως και το Ο₂, μεταφέρεται με την κυκλοφορία,

-εν μέρει μεν φυσικώς διαλυμένο (: περίπου 10%, από το οποίο προκύπτει και η PaCO₂) [στο πλάσμα 6% ή στα ερυθροκύτταρα 4%],

-εν μέρει ενυδατωμένο ως HCO₃̄ (55%).

Ο ρόλος του διαφράγματος , του φρενικού νεύρου και των μεσοπλευρίων και επικουρικών μυών στην επιτέλεση της αναπνοής εντοπίσθηκαν αρχικά από τον Ερασίστρατο (περίπου 280 πΧ.) και αργότερα από τον Γαληνό (129-201), το Leonardo da Vinci (1452-1519), που παρατήρησε ότι κατά την εισπνοή, οι πνεύμονες διατείνονται προς όλες τις διευθύνσεις, ακολουθώντας την έκπτυξη του θωρακικού κλωβού, από τον Vesalius 1514-1564), που παρατήρησε ότι επί τρώσεως του υπεζωκότος, οι πνεύμονες συμπίπτουν. Η ανάγκη πρσλήψεως φρέσκου αέρα, αναγνωρίστηκε από το Γαληνό, που θεωρούσε ότι συνενούταν με το αίμα της αριστερής καρδιάς και των αρτηριών προς σχηματισμό του ζωτικού πνεύματος, αποτυγχάνοντας να αναγνωρίσει το ρόλο των πνευμόνων στην ανταλλαγή αερίων. Αυτό επιτεύχθηκε από τον Ibn-al-Nafis (1210-1289) ο οποίος έγραψε: "...το αίμα από τη δεξιά κοιλότητα της καρδιάς, πρέπει να φτάσει στην αριστερή κοιλότητα the blood from the right chamber of the heart must arrive at the left chamber but there is no direct pathway between them. The thick septum of the heart is not perforated and does not have visible pores as some people thought or invisible pores as Galen thought. The blood from the right chamber must flow through the vena arteriosa (pulmonary artery) to the lungs, spread through its substances, be mingled there with air, pass through the arteria venosa (pulmonary vein) to reach the left chamber of the heart and there form the vital spirit...”, θεωρούμενος, επομένως, ο εισηγητής της πνευμονικής κυκλοφορίας. Ταυτόχρονα, εργαζόμενος ανεξάρτητα ο Servetus (1511-1513) αναγνώρισε το αδιαπέραστο του κοιλιακού διαφράγματος και αναγώρισε ότι το αίμα περνούσε μέσω της πνευμονικής αρτηρίας στους πνεύμονες, από τα διαμερίσματα του οποίου αναμιγνυόταν με τον εισπνεόμενο φρέσκο αέρα, και επέστρεφε μέσω των πνευμονικών φλεβών στην αριστερή καρδιά, από όπου διενεμείτο στην περιφέρεια. Ο Harvey (1578–1657) απέδειξε ότι το αίμα κυκλοφορεί μέσω των τριχοειδών των πνευμόνων και ο Malpighi (1628–1694) έδειξε ότι το τριχοειδικό αίμα στους πνεύμονες έρχεται σε διαμετωπική θέση με τους αεροχώρους των πνευμόνων. Οι παρατηρήσεις αυτές έθεσαν τις βάσεις για την  περιγραφή της λειτουργίας της αναπνοής.

Ο ρόλος του πνευμονικού αερισμού στη διατήρηση της ζωής κατεδείχθη από τον Vesalius, ο οποίος διατήρησε τη δράση της καρδιάς εισάγοντας αίμα μέσω σωλήνος στην τραχεία ενός απνοϊκού πειραματοζώου. Ο Hooke (1635–1703), ακολούθως έδειξε ότι ο ζωτικός παράγοντας είναι η προώθηση αέρος στους πνεύμονες. Ακολούθως ο Boyle (1627–1691) και, σε μικρότερο βαθμό, ο Mayow (1643–1679), έδειξαν ότι η παροχή αέρος που συντηρούσε τις καύσεις, επίσης υποστήριζε τη ζωή, ενώ ο Lower (1631–1691), περαιτέρω, έδειξε ότι η πρόσληψη συστατικών (ού) του αέρος έκανε το αίμα να αλλάζει χρώμα. Οι παρατηρήσεις αυτές απετέλεσαν τις βάσεις για την περιγραφή της ανταλλαγής αερίων στους πνεύμονες, αλλά στα πρώιμα στάδιά τους, δεν ελήφθησαν σοβαρά υπόψη. Η μεγάλη σύγχυση που επικρατούσε έκανε τον Samuel Pepys (μέλος του Αγγλικού Κοινοβουλίου και Γραμματέας του Θρόνου) να σημειώσει στο διάσημο ημερολόγιό του, αφού παρακολούθησε στις 22 Ιανουαρίου 1666, συνάντηση της Βασιλικής Ιατρικής Εταιρείας: ”δεν κατέστη δυνατόν σήμερα να γνωσθεί ούτε να συμπερανθεί πως η δράση συντηρείται από τη φύση ή για ποια χρήση διατίθεται”.

αναπνευστική συχνότητα

  Ως αναπνευστική συχνότητα ορίζεται ο αριθμός των ολοκληρωθέντων αναπνευστικών κύκλων, σε διάστημα ενός λεπτού. Αποτιμάται με μέτρηση των θωρακικών κινήσεων, κατά την επισκόπηση του ασθενούς ή των ‘εκπτύξεων’ του ασκού του σπιρομέτρου ή των ολοκληρωθέντων αναπνευστικών κύκλων, που καταγράφονται μέσω πνευμοταχογράφου. Η καταμέτρηση των ολοκληρωθέντων αναπνευστικών κύκλων επί διάστημα μερικών λεπτών και η διαίρεσή τους με το χρόνο σε λεπτά προς εξαγωγή μέσης αναπνευστικής συχνότητας είναι προτιμό­τε­ρη από το να μετρηθούν οι αναπνευστικοί κύκλοι επι διάστημα μερικών δευτε­ρολέπτων και η αναγωγή των μετρήσεων στο 1 πρώτο λεπτό.

Αύξηση ή ελάττωση της συχνότητας αναπνοής παριστάνει, γενικά, μέτρο γενικής εκτιμήσεως του επιπέδου του πνευμονικού αερισμού, αν και πρέπει να συνεκτιμάται με τον V_T, τον κατά λεπτό αερισμό και τα αποτελέσματα από την ανάλυση αερίων αρτηριακού αίματος.

Η υποξία και η υπερκαπνία, η οξέωση, καταστάσεις που προκαλούν ελάττωση της πνευμονικής διατασιμότητας και η άσκηση, προκαλούν αύξηση της συχνότητας αναπνοής, f και παθολογικές καταστάσεις, όπως η καταστολή του ΚΝΣ και η άρση του υποξαιμικού ερεθίσματος στους περιφερικούς αεραγωγούς, σε ασθενείς με χρόνια υπερκαπνία, προκαλεί ελάττωση της συχνότητας αναπνοής. Τόσο ο V_T, όσο και η συχνότητα, f, αυξάνονται, με την αύξηση του αερισμού, αλλά, ακριβώς όπως συμβαίνει με την αύξηση του όγκου της καρδιακής εξωθήσεως, σε μέτριες αυξήσεις του V̇_E, παρατηρείται μεγαλύτερη αύξηση του V_T, παρά της f, ενώ σε ακόμη μεγαλύτερη αύξηση του V̇_E,  η f αυξάνεται δυσανάλογα περισσότερο, παρ΄ό,τι ο V_T (à225).

 

O λόγος της παραγωγής CO₂, V̇CO₂, προς την κατανάλωση Ο₂, V̇O₂, ονομάζεται αναπνευστικό πηλίκο, R. Η συνήθης τιμή του είναι 0.85 (0.8-1.20), αλλά σε διατάξεις εργομετρίας πρέπει να υπολογίζεται η πραγματική του τιμή. Το R αυξάνεται, με την αύξηση του παραγόμενου έργου, από το επίπεδο ηρεμίας, 0.75-0.85. Με την αύξηση  του έργου, και την ενεργοποίηση αναερόβιων μηχανισμών, το παραγόμενο γαλακτικό οξύ ‘ρυθμίζεται’ με τα διαθέσιμα HCO₃̄  προς παραγωγή πτητικού CO₂, το οποίο, με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται και φθάνει στα (ή υπερβαίνει τα) επίπεδα  της V̇O₂. Το R πλησιάζει (ή υπερβαίνει) την τιμή 1. Σε καταστάσεις υπεραερισμού, όπως στις συνθήκες υπομέγιστης παραγωγής έργου, το R αυξάνεται, καθώς, λόγω του υπεραερισμού μειώνεται η αποβολή του CO₂. Ετσι, το R εκφράζει, μάλλον, το δείκτη ανταλλαγής αερίων στους πνεύμονες, παρά τις πραγματικές συνθήκες μεταβολισμού στο κυτταρικό επίπεδο. Σε διατάξεις εργομετρίας, όταν εγκατασταθούν σταθεροποιημένες συνθήκες, το R πλησιάζει ή εξισούται με το RQ και το λόγο V̇CO₂/V̇O₂  στο κυτταρικό επίπεδο. Κάτω από σταθεροποιημένες συνθήκες, η V̇CO₂  αντανακλά το CO₂ που παράγεται κατά τη διαδικασία του μεταβολισμού στο κυτταρικό επίπεδο.

Το R, ως λόγος μεταξύ του παραγομένου CO₂ προς το καταναλισκομένου Ο₂, CO₂/Ο₂, υπολογίζεται με τον εξής τρόπο: 

R= VCO2/VO2=FeCO2/(0.2648FE,N2-FE,O2)

Όπου R, το αναπνευστικό ισοδύναμο, F_E,CO₂ , FE,N₂ και FE,O₂, η συγκέντρωση εκπνεόμενου CO₂, N₂ και Ο₂.