Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme veren happi- ja hiilidioksidipitoisuuksien merkitystä, niitä sääteleviä mekanismeja sekä niiden vaikutuksia kehon terveyteen ja homeostaasiin.
Keuhkoihin vereen tuleva happi kuljetetaan sydämen kautta kehon kudokseen, jossa sitä käytetään energian tuottamiseen. Hiilidioksidi, aineenvaihdunnan kuona-aine, kulkeutuu veren mukana sydämeen ja sitten keuhkoihin, joista se poistuu kehosta. Kaasujen vaihto veren ja keuhkorakkuloiden sekä veren ja kudosten välillä tapahtuu diffuusion kautta osapaine-erojen perusteella, ja kaasut diffundoituvat korkean osapaineen alueilta matalan osapaineen alueille. Verta kuljettavista verisuonista niitä, jotka kuljettavat verta sydämestä keuhkoihin ja eri kudoksiin, kutsutaan valtimoiksi, ja niitä, jotka kuljettavat verta keuhkoista ja eri kudoksista sydämeen, kutsutaan laskimoiksi. Verta, joka virtaa keuhkoista eri kudoksiin keuhkojen kaasujen vaihdon jälkeen, kutsutaan valtimovereksi, ja verta, joka virtaa kudoksista keuhkoihin kudosten kaasujen vaihdon jälkeen, kutsutaan laskimovereksi.
Alveolien hapen osapaine on 100–110 mmHg, ja ympäröivien hiussuonten laskimoveren hapen osapaine on 40 mmHg, joten alveolien happi diffundoituu niitä ympäröivien hiussuonten laskimovereen. Tässä vaiheessa happirikas veri virtaa sydämen läpi kehon kaikkiin kudokseen. Kunkin kudoksen hiussuonten läpi virtaavan valtimoveren hapen osapaine on 100 mmHg, ja kudoksen hapen osapaine on keskimäärin 40 mmHg, joten valtimoveren happi diffundoituu kudokseen. Happea vapautunut veri virtaa sydämen läpi keuhkoihin.
Happi kuitenkin liukenee veteen huonosti, joten vain noin 1.5 % keuhkoista kudoksiin kuljetetusta hapesta on liuenneena plasmassa. Noin 98.5 % kuljetetaan happihemoglobiinin muodossa, joka on sitoutunut hemoglobiiniin punasoluissa. Kun hemoglobiini sitoutuu happeen, se muodostaa rautaoksidia, mikä on yksi syy veren punaiseen väriin. Tässä prosessissa hemoglobiini ylläpitää rakennetta, jonka avulla se voi kuljettaa happea erittäin tehokkaasti. Tämä prosessi on välttämätön ihmiskehon fysiologisen tasapainon ylläpitämiseksi, ja veren hapenkuljetuskyky on tärkeä indikaattori yleisestä terveydentilasta.
Käyrää, joka osoittaa hemoglobiinin happisaturaation hapen osapaineen funktiona, kutsutaan happidissosiaatiokäyräksi. Happidissosiaatiokäyrän vaakasuora akseli edustaa veren hapen osapainetta ja pystysuora akseli hemoglobiinin happisaturaatiota. Happisaturaation, joka on hemoglobiinin sitoutumisaste happeen tietyssä hapen osapaineessa, ja happidissosiaation, joka on hemoglobiinin irtoamisaste hapesta, summa on 100 %. Tämä käyrä on loivasti S-kirjaimen muotoinen, ja kun hapen osapaine laskee, hapesta eli hemoglobiinista irtoavan hapen määrä on suurempi 0–40 mmHg:n alueella kuin 40–100 mmHg:n alueella. Hemoglobiinin happiaffiniteetti osoittaa hemoglobiinin taipumusta sitoutua happeen. Happiaffiniteettiin vaikuttavia tekijöitä ovat hapen osapaine, veren pH (vetyionipitoisuus-indeksi) ja lämpötila.
Kun kudoksen aineenvaihdunta aktivoituu, ympäröivien hiussuonten veren pH laskee hiilidioksidin lisääntymisen vuoksi. Kun veren pH laskee, hemoglobiinin happiaffiniteetti pienenee, mikä edistää hapen vapautumista ympäröiviin kudoksiin. Toisin sanoen, kun hapen osapaine on sama, happihemoglobiinista vapautuu enemmän happea alueilla, joilla on alhaisempi pH. Lisäksi fyysinen aktiivisuus, kuten liikunta, nostaa kudosten lämpötilaa, mikä helpottaa hapen irtoamista kudoksia ympäröivien hiussuonten läpi virtaavasta verestä, minkä seurauksena kudoksiin vapautuu enemmän happea kuin ennen liikuntaa.
Veren pH-arvon muutokset johtuvat yleensä veren hiilidioksidipitoisuuden muutoksista. Hiilidioksidi reagoi veren veden kanssa muodostaen hiilihappoa, joka sitten hajoaa vetyioneiksi ja bikarbonaatti-ioneiksi. Vetyionipitoisuuden nousu alentaa veren pH-arvoa, mikä on tärkeä tekijä hapen vapautumisen edistämisessä kudoksista. Tällä prosessilla on myös tärkeä rooli kehon happo-emästasapainon ylläpitämisessä.
Samaan aikaan hiilidioksidi, joka on kunkin kudoksen aineenvaihdunnan jätetuote, diffundoituu myös vereen ja kuljetetaan. Hiilidioksidin osapaine kudoksissa on keskimäärin 46 mmHg ja valtimoveressä 40 mmHg, joten kudoksissa oleva hiilidioksidi diffundoituu kudoksia ympäröivissä kapillaareissa virtaavaan vereen. Noin 7 % kudoksista keuhkoihin kulkeutuvasta hiilidioksidista on liuenneena plasmaan, ja noin 23 % kuljetetaan karbaminohemoglobiinin muodossa, joka on sitoutunut punasolujen hemoglobiiniin. Happeen sitoutumaton hemoglobiini sitoutuu helpommin hiilidioksidiin kuin happeen sitoutunut hemoglobiini muodostaen karbaminohemoglobiinia, joten laskimoveri on hyödyllisempää kuin valtimoveri hiilidioksidin kuljettamiseen hemoglobiinin avulla.
Noin 70 % hiilidioksidista kulkeutuu bikarbonaatti-ionien muodossa. Kudoksista diffundoituva hiilidioksidi yhdistyy pääasiassa veteen punasoluissa hiilihappoanhydraasin vaikutuksesta muodostaen hiilihappoa, joka sitten ionisoituu vetyioneiksi ja bikarbonaatti-ioneiksi. Tässä vaiheessa vetyionit sitoutuvat pääasiassa hemoglobiiniin, kun taas bikarbonaatti-ionit diffundoituvat veriplasmaan ja kulkeutuvat keuhkoihin. Päinvastainen reaktio tapahtuu keuhkorakkuloita ympäröivissä kapillaareissa. Toisin sanoen bikarbonaatti-ionit siirtyvät punasoluihin ja yhdistyvät uudelleen vetyionien kanssa muodostaen hiilihappoa, joka sitten muuttuu hiilihappoanhydraasin avulla hiilidioksidiksi ja vedeksi. Tässä prosessissa syntyvä hiilidioksidi diffundoituu keuhkorakkuloihin ja poistuu kehosta uloshengitysteitse. Punasolujen entsyymeillä on tärkeä rooli tässä prosessissa, ja jos näiden entsyymien toiminta heikentyy, kaasujenvaihdon tehokkuus heikkenee.
Lisäksi hiilidioksidipitoisuus vaikuttaa suoraan hengityksen nopeuteen ja syvyyteen. Korkeat hiilidioksidipitoisuudet stimuloivat hengitystä, mikä lisää hiilidioksidin uloshengitystä keuhkojen kautta, mikä on välttämätöntä kehon happo-emästasapainon ylläpitämiseksi. Toisaalta matalat hiilidioksidipitoisuudet aiheuttavat hengityslamaa, mikä aktivoi takaisinkytkentämekanismin, joka lisää hiilidioksidipitoisuutta veressä. Näillä hengityksen säätelymekanismeilla on tärkeä rooli homeostaasin ylläpitämisessä.
Siksi ihmiskehon kaasunvaihtoprosessi on tarkasti säädelty, ja useat fysiologiset tekijät vaikuttavat toisiinsa ylläpitääkseen sopivia happi- ja hiilidioksidipitoisuuksia. Tämä on välttämätöntä kehon yleisen toiminnan ja terveyden ylläpitämiseksi, ja pienilläkin epätasapainoilla voi olla vakavia seurauksia.
