Atmungspigment und Blutzellen: Erythrozyten verstehen

Einleitung

Blut ist eine Mischung aus Zellen, die in einer Flüssigkeit namens Plasma schwimmen. Plasma, das zu 90 Prozent aus Wasser besteht, transportiert nicht nur Blutzellen, sondern viele essentielle Moleküle, die vom Körper benötigt werden, wie Hormone, Immunglobuline (Antikörper), Enzyme, Gerinnungsmittel, Hormone, Vitamine, Cholesterin, Nährstoffe (wie Glukose), Elektrolyte (wie Natrium, Kalium und Kalzium) und Abfallprodukte. Die im Blut vorkommenden Zellen sind von drei Arten: rote Blutzellen, Erythrozyten genannt, machen 40 bis 45 Prozent des Blutes aus, weiße Blutzellen, Leukozyten genannt, und Thrombozyten, Thrombozyten genannt. Im Wesentlichen transportieren rote Blutzellen Sauerstoff von der Lunge zu den Geweben im gesamten Körper, weiße Blutzellen helfen, Infektionen zu bekämpfen, und Thrombozyten helfen bei der Gerinnung.

Atmungspigment

Sauerstoffmoleküle werden von der Lunge zu den Geweben des Körpers durch ein Proteinmolekül in den roten Blutzellen transportiert, genannt Hämoglobin. Hämoglobin enthält Eisenatome, und es ist die Eisenkomponente des Hämoglobins, die dem Blut seine rote Farbe verleiht. Daher ist Hämoglobin als Atmungspigment bekannt.

Hämoglobin-Struktur

Ein Hämoglobinmolekül ist ein tetrameres Häm-Protein, was bedeutet, dass es aus vier Polypeptid-(Aminosäure-)Ketten besteht, die gefaltet sind, um vier kugelförmige Proteinstrukturen zu bilden, die einzeln als monomères Hämprotein bekannt sind. Jedes monomère Hämprotein enthält eine Häm-Prosthetikgruppe, ein wesentlicher Bestandteil davon ist das einzelne Eisenatom in seinem Zentrum, das in seinem oxidierten Fe2+-Zustand dafür verantwortlich ist, Sauerstoffmoleküle in der sauerstoffreichen Umgebung der Lunge anzuziehen und zu binden. Jedes Eisenatom kann ein Sauerstoffmolekül binden, und da jedes gesamte Hämoglobinmolekül vier Eisenatome enthält, ermöglicht dies jedem Hämoglobinmolekül, vier Sauerstoffmoleküle zu transportieren. Jede rote Blutzelle enthält etwa 250 Millionen Hämoglobinmoleküle, wodurch Atmungspigmente die Sauerstofftransportkapazität des Blutes dramatisch erhöhen.

Hämoglobin-Funktion

Die Fähigkeit von Hämoglobin, Sauerstoff in der Lunge anzuziehen und ihn dann in den Geweben abzugeben, ist auf die Unterschiede im pH-Wert zwischen der sauerstoffreichen Umgebung der Lunge und der sauerstoffarmen Umgebung der Gewebe zurückzuführen. Der pH-Wert in den Geweben ist niedriger (säurer) als der pH-Wert in der Lunge, und diese saure Umgebung senkt die Affinität von Hämoglobin für Sauerstoff und erhöht seine Affinität für Wasserstoffionen (H+-Ionen). Wasserstoffionen sind in den Geweben reichlich vorhanden, aufgrund der Reaktion zwischen Kohlendioxid (CO2), das in den Geweben produziert wird, und Wasser zu Bikarbonat, eine Reaktion, die stattfindet, wenn Kohlendioxid in die roten Blutzellen diffundiert und mit Wasser reagiert.

Dadurch werden alle vier Sauerstoffmoleküle von Hämoglobin an die Gewebe abgegeben und durch Wasserstoffionen im Hämoglobinmolekül ersetzt. Sobald Hämoglobin in die Lunge zurückkehrt, kann es seine Wasserstoffionen abwerfen, weil der höhere pH-Wert der Lunge die H+-Ionen mehr zur Umgebung als zum Häm hingezogen macht, so dass Wasserstoff abgibt wird und durch Sauerstoff ersetzt wird und der Zyklus von neuem beginnt.

Dieses System hat den zusätzlichen Vorteil, den Transport von Kohlendioxid zu den Lungen zur Entfernung aus dem Körper zu ermöglichen. CO2 ist unlöslich in Wasser, aber das Bikarbonat-Ion ist wasserlöslich und reist daher im Blut zu den Lungen, wo es dann mit den freigesetzten H+-Ionen reagiert, um wieder zu CO2-Gas zu werden, das mit dem nächsten Atemzug ausgeatmet werden kann.

Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid hat eine viel höhere Affinität für Hämoglobin als Sauerstoff. Bei einer Kohlenmonoxidvergiftung bedeutet diese bevorzugte Bindung, dass Sauerstoff nicht transportiert und an die Körpergewebe abgegeben werden kann, was zu Erstickung und Tod führt.