Apakah ada oksigen? Gejala hipoksia akut. Gejala hipoksia kronis

Oksigen

OKSIGEN-A; M. Unsur kimia (O), gas tidak berwarna dan tidak berbau yang merupakan bagian dari udara, diperlukan untuk pernapasan dan pembakaran dan membentuk air jika dikombinasikan dengan hidrogen.

◊ Matikan oksigen untuk seseorang. Ciptakan kondisi hidup dan kerja yang tidak tertahankan.

◁ Oksigen, oh, oh. Rabu K. koneksi K. pemotongan ke-k(pemotongan gas). Pengelasan ke-k(pengelasan gas). puasa ke-k; beberapa kekurangan (Sayang.; penurunan kandungan oksigen dalam jaringan tubuh; hipoksia).

◊ Bantalan oksigen (lihat bantalan).

(lat. Oxygenium), unsur kimia golongan VI tabel periodik. Dalam bentuk bebas, ditemukan dalam bentuk dua modifikasi - O 2 (oksigen "biasa") dan O 3 (ozon). O 2 - gas tidak berwarna dan tidak berbau, kepadatan 1,42897 g/l, T suhu –218.6ºC, T suhu –182,96ºC. Secara kimiawi non-logam yang paling aktif (setelah fluor). Ia berinteraksi dengan sebagian besar unsur lainnya (hidrogen, halogen, belerang, banyak logam, dll.) secara langsung (oksidasi) dan, sebagai suatu peraturan, dengan pelepasan energi. Ketika suhu meningkat, laju oksidasi meningkat dan pembakaran dapat dimulai. Hewan dan tumbuhan menerima energi yang diperlukan untuk kehidupan karena oksidasi biologis berbagai zat dengan oksigen yang masuk ke organisme selama respirasi. Unsur paling umum di Bumi; dalam bentuk senyawa membentuk sekitar 1/2 massa kerak bumi; adalah bagian dari air (88,8% berat) dan banyak jaringan organisme hidup (sekitar 70% berat). Oksigen atmosfer bebas (20,95% volume) dibentuk dan diawetkan melalui fotosintesis. Oksigen (atau udara yang diperkaya dengannya) digunakan dalam metalurgi, industri kimia, obat-obatan, dan alat bantu pernapasan oksigen. Oksigen cair adalah komponen bahan bakar roket.

kamus ensiklopedis. 2009 .

Lihat apa itu "oksigen" di kamus lain:

- (Oksigenum). Gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Sedikit larut dalam air (kira-kira 1:43). Inhalasi oksigen banyak digunakan untuk berbagai penyakit yang disertai hipoksia: penyakit pernafasan (pneumonia, edema paru... Kamus obat-obatan

Mungkin bahkan anak-anak pun kini mengetahui bahwa rumus kimia air adalah H 2 O. Namun, ini hanya teori, namun kenyataannya sejumlah besar zat baik yang berasal dari organik maupun anorganik terlarut dalam air. Air murni, seperti yang Anda ketahui, tidak memiliki rasa dan bau, tetapi siapa pun dapat memverifikasi bahwa dalam sebagian besar kasus, hal ini tidak terjadi. Air minum misalnya, mengandung sejumlah garam mineral sehingga memberikan rasa asin. Pada tingkat tertentu, ia berisi segala sesuatu yang bersentuhan dengannya. Yang pasti tergantung tempat pengambilannya, karena di tempat yang berbeda bersentuhan dengan zat yang berbeda. Di beberapa tempat, ahli kimia akan menemukan logam berat dalam cairan, di tempat lain - berbeda

Bagaimana ini bisa terjadi?

Air adalah pelarut universal. Air sulingan dianggap sebagai zat paling murni secara kimiawi, tetapi setelah beberapa waktu ia kehilangan keadaan aslinya. Dan inilah alasannya: air adalah pelarut yang baik sehingga seiring waktu molekul berbagai zat dari udara masuk ke dalamnya. Di alam, hal ini juga terjadi akibat aktivitas vital berbagai organisme yang hidup di lingkungan perairan.

Gas dalam air

Saat menuangkan air ke dalam gelas, Anda dapat melihat gelembung-gelembung gas yang berada di dinding bejana. Selain garam dan zat lainnya, air juga melarutkan gas. Pertama-tama, dari udara, juga dari oksigen, dan dalam beberapa kasus juga dari metana dan hidrogen sulfida. Selain itu, air dingin melarutkan gas jauh lebih baik daripada air hangat, sehingga semakin rendah suhunya, semakin tinggi konsentrasi gasnya. Dan sebaliknya - dengan meningkatnya suhu, kelarutan menurun.

Sumber gas terlarut dalam air

Tapi dari mana asal semua zat ini di dalam air? Nitrogen, pada umumnya, larut ketika berinteraksi dengan atmosfer, metana - sebagai akibat dari kontak dengan batuan dan penguraian lumpur dasar, dan hidrogen sulfida terbentuk sebagai produk pembusukan residu organik. Biasanya, hidrogen sulfida terkandung di lapisan air dalam dan tidak naik ke permukaan. Dengan konsentrasinya yang tinggi, kehidupan tidak mungkin terjadi, misalnya di Laut Hitam pada kedalaman lebih dari 150-200 meter, karena tingginya saturasi air dengan hidrogen sulfida, hampir tidak ada organisme hidup, kecuali beberapa bakteri.

Oksigen juga selalu terkandung dalam air. Ini adalah zat pengoksidasi universal, oleh karena itu ia menguraikan sebagian hidrogen sulfida, mengurangi konsentrasinya. Tapi dari manakah oksigen dalam air berasal? Akan ada perbincangan khusus tentang dia.

Oksigen

Hampir semua organisme hidup membutuhkan oksigen. Orang menghirup udara, yang merupakan campuran gas, yang sebagian besar adalah gas tersebut.

Penghuni lingkungan perairan juga membutuhkan zat ini, sehingga konsentrasi oksigen dalam air merupakan indikator yang sangat penting. Biasanya mencapai 14 mg/l jika menyangkut perairan alami, dan terkadang bahkan lebih. Cairan yang sama yang mengalir dari keran mengandung lebih sedikit oksigen, dan hal ini mudah dijelaskan. Air keran setelah asupan air melewati beberapa tahap pemurnian, dan oksigen terlarut merupakan senyawa yang sangat tidak stabil. Akibat pertukaran gas dengan udara, sebagian besar menguap begitu saja. Jadi dari manakah oksigen dalam air berasal, jika bukan dari udara?

Faktanya, hal ini tidak sepenuhnya benar; ia juga diambil dari udara, namun bagiannya yang terlarut akibat kontak dengan atmosfer sangatlah kecil. Agar interaksi oksigen dengan air cukup efektif, diperlukan kondisi khusus: suhu rendah, tekanan tinggi, dan mineralisasi yang relatif rendah. Gas ini tidak selalu diamati, dan kehidupan tidak akan ada dalam bentuknya yang sekarang jika satu-satunya cara untuk membentuk gas ini di lingkungan perairan adalah melalui interaksi dengan atmosfer. Untungnya, ada dua sumber lain dari mana oksigen dalam air berasal. Pertama, molekul gas terlarut ditemukan dalam jumlah besar di salju dan air hujan, dan kedua - dan ini merupakan sumber utamanya - sebagai hasil fotosintesis yang dilakukan oleh vegetasi air dan fitoplankton.

Ngomong-ngomong, meski mengandung oksigen, organisme hidup tentu saja tidak bisa mengekstraknya dari sana. Oleh karena itu, mereka hanya harus puas dengan bagian yang dibubarkan tersebut.

Tentang pentingnya alga

Hanya sedikit orang dalam kehidupan sehari-hari yang memikirkan tentang apa yang kita hirup dan mengapa hal itu terjadi. Hampir semua orang tahu bahwa sebagian besar organisme hidup yang menghirup udara beradaptasi dengan campuran ini. Namun jika kita berbicara tentang lingkungan darat-udara, maka tidak ada pertanyaan yang muncul. Dari mana asal oksigen di dalam air? Sama seperti di bumi, ada banyak tumbuhan yang melalui proses yang disebut fotosintesis, mengonsumsi cahaya dan karbon dioksida untuk melepaskan O2.

Lebih tepatnya, dalam beberapa dekade terakhir, karena satu dan lain hal, umat manusia telah menghancurkan sebagian besar hutan. Namun belum ada pembicaraan mengenai krisis global, meskipun populasi dunia terus bertambah dan konsumsi oksigen terus meningkat
sangat besar. Dan alga yang hidup di Samudra Dunia sangat penting dalam hal ini; sebagian besar, melalui mereka, air menjadi jenuh dengan oksigen. Beberapa spesiesnya dikonsumsi oleh manusia dan biota laut, namun jumlahnya tetap mencukupi untuk fotosintesis yang efisien. Dari sinilah oksigen berasal di dalam air, dan karena itu, berkat pertukaran gas dengan atmosfer, di udara. Fotosintesis alga merupakan sumber utamanya. Omong-omong, karena proses yang terjadi pada tumbuhan, oksigen primer terakumulasi di atmosfer, dan sekarang hanya komposisi konstannya yang dipertahankan.

Peran oksigen terlarut (DO)

Meskipun sistem pernapasan penghuni perairan memiliki struktur yang berbeda dengan sistem pernapasan penghuni lingkungan darat-udara, mereka tetap membutuhkan zat yang sama. Pertama-tama, kita berbicara tentang oksigen, yang memainkan peran penting dalam kehidupan sebagian besar organisme. Dan jika kita mengekstraknya dari atmosfer yang kandungannya kurang lebih stabil yaitu sekitar 21%, maka penghuni sungai, lautan, dan samudera sangat bergantung pada seberapa banyak oksigen yang terkandung dalam air di habitatnya. Selain ikan, tumbuhan juga membutuhkan oksigen. Namun, produksinya biasanya lebih tinggi dari tingkat konsumsinya, sehingga hal ini tidak perlu dikhawatirkan.

Indikator biasa

Karena peranannya yang penting dalam fungsi normal ekosistem, tingkat DO sering dipantau oleh ahli biologi dan ekologi. Bagaimanapun, di alam semuanya saling terhubung; gangguan keseimbangan gas di satu perairan dapat menyebabkan masalah di perairan tetangga, jika keduanya terhubung. Biasanya pengukuran dilakukan sebelum tengah hari; selama periode ini, konsentrasi gas di permukaan air menjadi maksimum sebesar 14 mg/l. Indikator ini dapat mengalami fluktuasi harian dan musiman yang serius, namun tidak boleh turun di bawah 4 mg/l.
Penurunan konsentrasi hingga 2 mg/l atau kurang menyebabkan kematian massal penghuni hidrosfer. Faktanya - karena mati lemas. Penurunan indikator secara bertahap dapat mengindikasikan pencemaran reservoir dan pada akhirnya juga dapat mengakibatkan kematian penghuni perairan.

RK dalam ekosistem yang diciptakan secara artifisial

Aerasi yang baik penting, misalnya dalam budidaya akuarium. Oleh karena itu, perlu tidak hanya memasang pompa khusus yang memompa udara ke dalam air dan menjenuhkannya dengan oksigen, tetapi juga, misalnya, jika perlu, menanam berbagai ganggang di dasar. Tentu saja, mereka yang memiliki hobi serupa terutama tertarik pada estetika ekosistem, namun kita tidak boleh melupakan kelestarian dan umur panjangnya.

Jika kita berbicara tentang produksi mutiara dan industri spesifik lainnya dari jenis ini, maka selain berbagai tindakan yang bertujuan untuk mempertahankan konsentrasi oksigen terlarut yang cukup dalam air, indikator ini perlu diukur secara teratur menggunakan sampel khusus. Saat mengumpulkannya, sangat penting untuk tidak adanya kontak dengan udara, karena dapat merusak hasil analisis.

Hari ini kita akan berbicara lebih detail tentang dari mana oksigen berasal.

Fotosintesis

Seperti yang Anda ketahui, oksigen dihasilkan oleh tumbuhan hijau selama fotosintesis. Fotosintesis justru terjadi di bagian hijau tumbuhan, tempat pigmen klorofil paling melimpah. Agar fotosintesis dapat terjadi, dua elemen harus ada: energi matahari dan air. Dengan menggunakan energi matahari, tumbuhan menyerap karbon dioksida dari udara, dan di bawah pengaruh energi matahari, gas ini bereaksi dengan air, yang diserap tumbuhan dari tanah dengan akarnya. Produk fotosintesis adalah karbohidrat, yang memberi makan tanaman itu sendiri, dan oksigen yang sangat kita butuhkan. Telah ditetapkan bahwa tumbuhan melepaskan sekitar 6 ton oksigen per ton zat yang digunakan untuk respirasi.

Anda dapat membuat rumus fotosintesis berikut: air + karbon dioksida + energi matahari = karbohidrat + oksigen.

Namun, salah jika mengira hanya tumbuhan terestrial yang menghasilkan oksigen. Faktanya, sebagian besar oksigen (lebih dari 80%) dihasilkan oleh alga di lautan dan samudera. Ganggang biru-hijau, atau fitoplankton, memasok oksigen ke atmosfer bumi melalui kolom air. Oleh karena itu, lebih tepat jika kita menyebut samudra dan lautan sebagai “paru-paru planet kita”.

Oksigen- salah satu elemen yang paling umum tidak hanya di alam, tetapi juga dalam komposisi tubuh manusia.

Sifat khusus oksigen sebagai unsur kimia telah menjadikannya, selama evolusi makhluk hidup, sebagai mitra penting dalam proses dasar kehidupan. Konfigurasi elektronik molekul oksigen sedemikian rupa sehingga memiliki elektron tidak berpasangan, yang sangat reaktif. Oleh karena itu, karena memiliki sifat pengoksidasi yang tinggi, molekul oksigen digunakan dalam sistem biologis sebagai semacam perangkap elektron, yang energinya akan padam ketika terikat dengan oksigen dalam molekul air.

Tidak ada keraguan bahwa oksigen “berada di rumah” untuk proses biologis sebagai akseptor elektron. Kelarutan oksigen baik dalam fase air maupun lipid juga sangat berguna bagi organisme yang sel-selnya (terutama membran biologis) dibangun dari bahan yang beragam secara fisik dan kimia. Hal ini memungkinkannya untuk berdifusi dengan relatif mudah ke setiap formasi struktural sel dan berpartisipasi dalam reaksi oksidatif. Benar, oksigen beberapa kali lebih larut dalam lemak dibandingkan dalam lingkungan berair, dan ini diperhitungkan saat menggunakan oksigen sebagai agen terapeutik.

Setiap sel tubuh kita membutuhkan pasokan oksigen yang tidak terputus, yang digunakan dalam berbagai reaksi metabolisme. Untuk mengirimkan dan memilahnya ke dalam sel, diperlukan alat transportasi yang cukup kuat.

Dalam kondisi normal, sel-sel tubuh perlu menyuplai sekitar 200-250 ml oksigen setiap menitnya. Mudah untuk menghitung kebutuhannya per hari cukup besar (sekitar 300 liter). Dengan kerja keras, kebutuhan ini meningkat sepuluh kali lipat.

Difusi oksigen dari alveoli paru ke dalam darah terjadi karena adanya perbedaan (gradien) tegangan oksigen alveolar-kapiler, dimana pada saat menghirup udara normal adalah : 104 (pO 2 di alveoli) - 45 (pO 2 di kapiler paru ) = 59 mmHg. Seni.

Udara alveolar (dengan kapasitas paru-paru rata-rata 6 liter) mengandung tidak lebih dari 850 ml oksigen, dan cadangan alveolar ini hanya mampu mensuplai oksigen ke tubuh selama 4 menit, mengingat rata-rata kebutuhan oksigen tubuh dalam kondisi normal adalah kurang lebih 200 ml. per menit.

Telah dihitung bahwa jika oksigen molekuler hanya larut dalam plasma darah (dan sulit larut di dalamnya - 0,3 ml dalam 100 ml darah), maka untuk memastikan kebutuhan normal sel akan oksigen, perlu untuk meningkatkan kecepatan aliran darah vaskular hingga 180 l dalam satu menit. Faktanya, darah bergerak dengan kecepatan hanya 5 liter per menit. Pengiriman oksigen ke jaringan dilakukan karena zat yang luar biasa - hemoglobin.

Hemoglobin mengandung 96% protein (globin) dan 4% komponen non protein (heme). Hemoglobin, seperti gurita, menangkap oksigen dengan empat tentakelnya. Peran “tentakel” yang secara khusus menangkap molekul oksigen dalam darah arteri paru-paru dimainkan oleh heme, atau lebih tepatnya atom besi divalen yang terletak di tengahnya. Besi “melekat” di dalam cincin porfirin menggunakan empat ikatan. Kompleks besi dengan porfirin ini disebut protoheme atau hanya heme. Dua ikatan besi lainnya diarahkan tegak lurus terhadap bidang cincin porfirin. Salah satunya menuju ke subunit protein (globin), dan yang lainnya bebas, langsung menangkap oksigen molekuler.

Rantai polipeptida hemoglobin disusun dalam ruang sedemikian rupa sehingga konfigurasinya mendekati bentuk bola. Masing-masing dari empat gumpalan tersebut memiliki “kantong” di mana heme ditempatkan. Setiap heme mampu menangkap satu molekul oksigen. Molekul hemoglobin dapat mengikat maksimal empat molekul oksigen.

Bagaimana cara hemoglobin “bekerja”?

Pengamatan terhadap siklus pernapasan “paru-paru molekuler” (sebagaimana ilmuwan terkenal Inggris M. Perutz menyebut hemoglobin) mengungkapkan ciri-ciri menakjubkan dari protein pigmen ini. Ternyata keempat permata itu bekerja bersama-sama, bukan berdiri sendiri-sendiri. Masing-masing permata seolah-olah diberi tahu apakah pasangannya telah menambahkan oksigen atau tidak. Dalam deoksihemoglobin, semua “tentakel” (atom besi) menonjol dari bidang cincin porfirin dan siap mengikat molekul oksigen. Setelah menangkap molekul oksigen, besi ditarik ke dalam cincin porfirin. Molekul oksigen pertama adalah yang paling sulit untuk diikat, dan molekul oksigen berikutnya menjadi lebih baik dan lebih mudah. Dengan kata lain, hemoglobin bertindak sesuai dengan pepatah “nafsu makan muncul saat makan.” Penambahan oksigen bahkan mengubah sifat hemoglobin: menjadi asam yang lebih kuat. Fakta ini sangat penting dalam transfer oksigen dan karbon dioksida.

Setelah menjadi jenuh dengan oksigen di paru-paru, hemoglobin dalam sel darah merah membawanya melalui aliran darah ke sel dan jaringan tubuh. Namun, sebelum hemoglobin jenuh, oksigen harus larut dalam plasma darah dan melewati membran sel darah merah. Dalam prakteknya, terutama bila menggunakan terapi oksigen, penting bagi dokter untuk memperhitungkan potensi kemampuan hemoglobin eritrosit untuk menahan dan mengantarkan oksigen.

Satu gram hemoglobin dalam kondisi normal dapat mengikat 1,34 ml oksigen. Dengan pertimbangan lebih lanjut, kita dapat menghitung bahwa dengan rata-rata kandungan hemoglobin dalam darah 14-16 ml%, 100 ml darah mengikat 18-21 ml oksigen. Jika kita memperhitungkan volume darah yang rata-rata sekitar 4,5 liter pada pria dan 4 liter pada wanita, maka aktivitas pengikatan maksimal hemoglobin eritrosit adalah sekitar 750-900 ml oksigen. Tentu saja, hal ini hanya mungkin terjadi jika seluruh hemoglobin jenuh dengan oksigen.

Saat menghirup udara atmosfer, hemoglobin tidak jenuh sempurna - 95-97%. Anda dapat menjenuhkannya dengan menggunakan oksigen murni untuk bernafas. Cukup untuk meningkatkan kandungannya di udara yang dihirup hingga 35% (bukan 24% biasanya). Dalam hal ini kapasitas oksigen akan maksimal (sama dengan 21 ml O 2 per 100 ml darah). Oksigen tidak lagi dapat berikatan karena kekurangan hemoglobin bebas.

Sejumlah kecil oksigen tetap terlarut dalam darah (0,3 ml per 100 ml darah) dan dalam bentuk ini ditransfer ke jaringan. Dalam kondisi alami, kebutuhan jaringan dipenuhi oleh oksigen yang terikat pada hemoglobin, karena jumlah oksigen yang terlarut dalam plasma tidak signifikan - hanya 0,3 ml dalam 100 ml darah. Kesimpulannya sebagai berikut: jika tubuh membutuhkan oksigen, maka tubuh tidak dapat hidup tanpa hemoglobin.

Selama hidupnya (kira-kira 120 hari), sel darah merah melakukan pekerjaan yang luar biasa, mentransfer sekitar satu miliar molekul oksigen dari paru-paru ke jaringan. Namun, hemoglobin memiliki ciri yang menarik: ia tidak selalu menyerap oksigen dengan keserakahan yang sama, juga tidak memberikannya kepada sel-sel di sekitarnya dengan kemauan yang sama. Perilaku hemoglobin ditentukan oleh struktur spasialnya dan dapat diatur oleh faktor internal dan eksternal.

Proses penjenuhan hemoglobin dengan oksigen di paru-paru (atau disosiasi hemoglobin dalam sel) digambarkan dengan kurva berbentuk S. Karena ketergantungan ini, suplai oksigen normal ke sel dimungkinkan bahkan dengan perbedaan kecil dalam darah (dari 98 hingga 40 mm Hg).

Posisi kurva berbentuk S tidak konstan, dan perubahannya menunjukkan perubahan penting pada sifat biologis hemoglobin. Jika kurva bergeser ke kiri dan tikungannya berkurang, maka ini menunjukkan peningkatan afinitas hemoglobin terhadap oksigen dan penurunan proses sebaliknya - disosiasi oksihemoglobin. Sebaliknya, pergeseran kurva ini ke kanan (dan peningkatan tikungan) menunjukkan gambaran sebaliknya - penurunan afinitas hemoglobin terhadap oksigen dan pelepasannya yang lebih baik ke jaringan. Jelas bahwa menggeser kurva ke kiri disarankan untuk menangkap oksigen di paru-paru, dan ke kanan untuk melepaskannya ke jaringan.

Kurva disosiasi oksihemoglobin berubah tergantung pada pH lingkungan dan suhu. Semakin rendah pH (pergeseran ke sisi asam) dan semakin tinggi suhu, semakin buruk oksigen yang ditangkap oleh hemoglobin, tetapi semakin baik oksigen diberikan ke jaringan selama disosiasi oksihemoglobin. Oleh karena itu kesimpulannya: dalam suasana panas, saturasi oksigen dalam darah terjadi secara tidak efektif, namun dengan meningkatnya suhu tubuh, pelepasan oksihemoglobin dari oksigen sangat aktif.

Sel darah merah juga mempunyai alat pengaturnya sendiri. Ini adalah asam 2,3-difosfogliserat, terbentuk selama pemecahan glukosa. “Suasana hati” hemoglobin dalam kaitannya dengan oksigen juga bergantung pada zat ini. Ketika asam 2,3-difosfogliserat terakumulasi dalam sel darah merah, ini mengurangi afinitas hemoglobin terhadap oksigen dan meningkatkan pelepasannya ke jaringan. Jika jumlahnya tidak mencukupi, gambarannya sebaliknya.

Peristiwa menarik juga terjadi di kapiler. Di ujung arteri kapiler, difusi oksigen terjadi tegak lurus dengan pergerakan darah (dari darah ke dalam sel). Pergerakan tersebut terjadi searah dengan perbedaan tekanan parsial oksigen, yaitu ke dalam sel.

Sel lebih menyukai oksigen terlarut secara fisik dan digunakan terlebih dahulu. Pada saat yang sama, oksihemoglobin dilepaskan dari bebannya. Semakin intens suatu organ bekerja, semakin banyak oksigen yang dibutuhkannya. Ketika oksigen dilepaskan, tentakel hemoglobin dilepaskan. Akibat penyerapan oksigen oleh jaringan, kandungan oksihemoglobin dalam darah vena turun dari 97 menjadi 65-75%.

Pembongkaran oksihemoglobin secara bersamaan mendorong pengangkutan karbon dioksida. Yang terakhir, terbentuk di jaringan sebagai produk akhir pembakaran zat yang mengandung karbon, memasuki darah dan dapat menyebabkan penurunan pH lingkungan secara signifikan (pengasaman), yang tidak sesuai dengan kehidupan. Faktanya, pH darah arteri dan vena dapat berfluktuasi dalam kisaran yang sangat sempit (tidak lebih dari 0,1), dan untuk itu perlu dilakukan netralisasi karbon dioksida dan pembuangannya dari jaringan ke paru-paru.

Menariknya, akumulasi karbon dioksida di kapiler dan sedikit penurunan pH lingkungan hanya berkontribusi pada pelepasan oksigen oleh oksihemoglobin (kurva disosiasi bergeser ke kanan, dan tikungan berbentuk S meningkat). Hemoglobin, yang berperan sebagai sistem penyangga darah itu sendiri, menetralkan karbon dioksida. Dalam hal ini, bikarbonat terbentuk. Sebagian karbon dioksida diikat oleh hemoglobin itu sendiri (menghasilkan pembentukan karbhemoglobin). Diperkirakan hemoglobin secara langsung atau tidak langsung terlibat dalam pengangkutan hingga 90% karbon dioksida dari jaringan ke paru-paru. Di paru-paru, proses sebaliknya terjadi, karena oksigenasi hemoglobin menyebabkan peningkatan sifat asam dan pelepasan ion hidrogen ke lingkungan. Yang terakhir, bergabung dengan bikarbonat, membentuk asam karbonat, yang dipecah oleh enzim karbonat anhidrase menjadi karbon dioksida dan air. Karbon dioksida dilepaskan oleh paru-paru, dan oksihemoglobin, yang mengikat kation (sebagai ganti ion hidrogen yang terpecah), berpindah ke kapiler jaringan perifer. Hubungan erat antara tindakan memasok oksigen ke jaringan dan mengeluarkan karbon dioksida dari jaringan ke paru-paru mengingatkan kita bahwa ketika menggunakan oksigen untuk tujuan pengobatan, kita tidak boleh melupakan fungsi lain dari hemoglobin - untuk membebaskan tubuh dari kelebihan karbon dioksida.

Perbedaan arteri-vena atau perbedaan tekanan oksigen di sepanjang kapiler (dari ujung arteri ke vena) memberikan gambaran tentang kebutuhan oksigen jaringan. Panjang perjalanan kapiler oksihemoglobin bervariasi di berbagai organ (dan kebutuhan oksigennya tidak sama). Oleh karena itu, misalnya, tekanan oksigen di otak turun lebih sedikit dibandingkan di miokardium.

Namun di sini perlu dilakukan reservasi dan mengingat bahwa miokardium dan jaringan otot lainnya berada dalam kondisi khusus. Sel otot memiliki sistem aktif untuk menangkap oksigen dari darah yang mengalir. Fungsi ini dilakukan oleh mioglobin, yang memiliki struktur yang sama dan bekerja dengan prinsip yang sama seperti hemoglobin. Hanya mioglobin yang memiliki satu rantai protein (dan bukan empat, seperti hemoglobin) dan, karenanya, satu heme. Mioglobin seperti seperempat hemoglobin dan hanya menangkap satu molekul oksigen.

Struktur unik mioglobin, yang hanya terbatas pada organisasi tingkat tersier molekul proteinnya, dikaitkan dengan interaksi dengan oksigen. Mioglobin mengikat oksigen lima kali lebih cepat dibandingkan hemoglobin (memiliki afinitas tinggi terhadap oksigen). Kurva saturasi mioglobin (atau disosiasi oksimyoglobin) dengan oksigen berbentuk hiperbola, bukan berbentuk S. Hal ini sangat masuk akal secara biologis, karena mioglobin, yang terletak jauh di dalam jaringan otot (di mana tekanan parsial oksigen rendah), dengan rakus mengambil oksigen bahkan dalam kondisi tegangan rendah. Semacam cadangan oksigen tercipta, yang digunakan, jika perlu, untuk pembentukan energi di mitokondria. Misalnya pada otot jantung yang banyak terdapat mioglobin, pada saat diastol terbentuk cadangan oksigen di dalam sel dalam bentuk oksimyoglobin, yang pada saat sistol memenuhi kebutuhan jaringan otot.

Rupanya, kerja mekanis organ otot yang konstan memerlukan perangkat tambahan untuk menangkap dan menyimpan oksigen. Alam menciptakannya dalam bentuk mioglobin. Ada kemungkinan bahwa sel-sel non-otot juga memiliki mekanisme yang belum diketahui untuk menangkap oksigen dari darah.

Secara umum kegunaan kerja hemoglobin eritrosit ditentukan oleh seberapa banyak ia mampu membawa ke dalam sel dan mentransfer molekul oksigen ke dalamnya serta menghilangkan karbon dioksida yang terakumulasi di kapiler jaringan. Sayangnya, pekerja ini terkadang tidak bekerja dengan kapasitas penuh dan bukan karena kesalahannya sendiri: pelepasan oksigen dari oksihemoglobin di kapiler bergantung pada kemampuan reaksi biokimia dalam sel untuk mengonsumsi oksigen. Jika sedikit oksigen yang dikonsumsi, maka oksigen tersebut akan “stagnasi” dan, karena kelarutannya yang rendah dalam media cair, tidak lagi berasal dari dasar arteri. Dokter mengamati penurunan perbedaan oksigen arteriovenosa. Ternyata hemoglobin membawa sebagian oksigen dengan sia-sia, dan selain itu, ia membawa lebih sedikit karbon dioksida. Situasinya tidak menyenangkan.

Pengetahuan tentang pola pengoperasian sistem transportasi oksigen dalam kondisi alami memungkinkan dokter menarik sejumlah kesimpulan yang berguna untuk penggunaan terapi oksigen yang benar. Tentu saja perlu digunakan, bersama dengan oksigen, agen yang merangsang zitropoiesis, meningkatkan aliran darah di tubuh yang terkena dan membantu penggunaan oksigen di jaringan tubuh.

Pada saat yang sama, perlu diketahui dengan jelas untuk tujuan apa oksigen dikonsumsi dalam sel, memastikan keberadaan normalnya?

Dalam perjalanannya ke tempat partisipasinya dalam reaksi metabolisme di dalam sel, oksigen mengatasi banyak formasi struktural. Yang paling penting adalah membran biologis.

Setiap sel memiliki membran plasma (atau bagian luar) dan berbagai struktur membran lain yang aneh yang mengikat partikel subseluler (organel). Membran bukan hanya sekedar partisi, tetapi formasi yang menjalankan fungsi khusus (transportasi, pemecahan dan sintesis zat, produksi energi, dll.), yang ditentukan oleh organisasinya dan komposisi biomolekul yang terkandung di dalamnya. Meskipun bentuk dan ukuran membran bervariasi, sebagian besar terdiri dari protein dan lipid. Zat lain yang juga ditemukan di membran (misalnya karbohidrat) dihubungkan melalui ikatan kimia ke lipid atau protein.

Kami tidak akan membahas secara rinci organisasi molekul protein-lipid dalam membran. Penting untuk dicatat bahwa semua model struktur biomembran (“sandwich”, “mosaik”, dll.) mengasumsikan adanya lapisan film lipid bimolekuler yang disatukan oleh molekul protein dalam membran.

Lapisan lipid membran adalah film cair yang terus bergerak. Oksigen, karena kelarutannya yang baik dalam lemak, melewati lapisan ganda membran lipid dan memasuki sel. Sebagian oksigen ditransfer ke lingkungan internal sel melalui pembawa seperti mioglobin. Oksigen diyakini berada dalam keadaan larut di dalam sel. Mungkin, ia lebih banyak larut dalam formasi lipid, dan lebih sedikit larut dalam formasi hidrofilik. Ingatlah bahwa struktur oksigen secara sempurna memenuhi kriteria zat pengoksidasi yang digunakan sebagai perangkap elektron. Diketahui bahwa konsentrasi utama reaksi oksidatif terjadi pada organel khusus, mitokondria. Perbandingan kiasan yang diberikan ahli biokimia terhadap mitokondria menunjukkan tujuan dari partikel kecil (berukuran 0,5 hingga 2 mikron) ini. Mereka disebut sebagai “pembangkit energi” dan “pembangkit tenaga” sel, sehingga menekankan peran utama mereka dalam pembentukan senyawa kaya energi.

Mungkin ada baiknya melakukan sedikit penyimpangan di sini. Seperti yang Anda ketahui, salah satu ciri mendasar makhluk hidup adalah ekstraksi energi yang efisien. Tubuh manusia menggunakan sumber energi eksternal - nutrisi (karbohidrat, lipid dan protein), yang dihancurkan menjadi potongan-potongan kecil (monomer) dengan bantuan enzim hidrolitik saluran pencernaan. Yang terakhir diserap dan dikirim ke sel. Hanya zat yang mengandung hidrogen, yang memiliki persediaan energi bebas yang besar, yang memiliki nilai energi. Tugas utama sel, atau lebih tepatnya enzim yang terkandung di dalamnya, adalah memproses substrat sedemikian rupa untuk menghilangkan hidrogen darinya.

Hampir semua sistem enzim yang melakukan peran serupa terlokalisasi di mitokondria. Di sini, fragmen glukosa (asam piruvat), asam lemak dan kerangka karbon asam amino dioksidasi. Setelah pemrosesan akhir, sisa hidrogen “dilepaskan” dari zat-zat ini.

Hidrogen, yang dipisahkan dari zat yang mudah terbakar dengan bantuan enzim khusus (dehidrogenase), tidak terjadi dalam bentuk bebas, tetapi dalam hubungannya dengan pembawa khusus - koenzim. Merupakan turunan dari nikotinamida (vitamin PP) - NAD (nikotinamida adenin dinukleotida), NADP (nikotinamida adenin dinukleotida fosfat) dan turunan riboflavin (vitamin B2) - FMN (flavin mononukleotida) dan FAD (flavin adenin dinukleotida).

Hidrogen tidak langsung terbakar, tetapi bertahap, dalam porsi. Jika tidak, sel tidak dapat menggunakan energinya, karena ketika hidrogen berinteraksi dengan oksigen, ledakan akan terjadi, yang dapat dengan mudah ditunjukkan dalam eksperimen laboratorium. Agar hidrogen dapat melepaskan sebagian energi yang terkandung di dalamnya, terdapat rantai pembawa elektron dan proton di membran bagian dalam mitokondria, atau disebut rantai pernapasan. Pada bagian tertentu dari rantai ini, jalur elektron dan proton berbeda; elektron melompat melalui sitokrom (yang, seperti hemoglobin, terdiri dari protein dan heme), dan proton lepas ke lingkungan. Di titik akhir rantai pernapasan, tempat sitokrom oksidase berada, elektron “menyelip” ke oksigen. Dalam hal ini, energi elektron benar-benar padam, dan oksigen, yang mengikat proton, direduksi menjadi molekul air. Air tidak lagi memiliki nilai energi bagi tubuh.

Energi yang dilepaskan oleh elektron yang melompat sepanjang rantai pernafasan diubah menjadi energi ikatan kimia adenosin trifosfat - ATP, yang berfungsi sebagai akumulator energi utama pada organisme hidup. Karena dua tindakan digabungkan di sini: oksidasi dan pembentukan ikatan fosfat yang kaya energi (ada dalam ATP), proses pembentukan energi dalam rantai pernapasan disebut fosforilasi oksidatif.

Bagaimana kombinasi pergerakan elektron sepanjang rantai pernapasan dan penangkapan energi selama pergerakan ini terjadi? Masih belum sepenuhnya jelas. Sementara itu, tindakan pengubah energi biologis akan memecahkan banyak masalah terkait penyelamatan sel-sel tubuh yang terkena proses patologis, yang biasanya mengalami kelaparan energi. Menurut para ahli, mengungkap rahasia mekanisme pembentukan energi pada makhluk hidup akan mengarah pada terciptanya pembangkit energi yang lebih menjanjikan secara teknis.

Ini adalah perspektif. Saat ini diketahui bahwa penangkapan energi elektron terjadi pada tiga bagian rantai pernafasan sehingga pembakaran dua atom hidrogen menghasilkan tiga molekul ATP. Efisiensi transformator energi tersebut mendekati 50%. Mengingat bahwa porsi energi yang disuplai ke sel selama oksidasi hidrogen dalam rantai pernapasan setidaknya 70-90%, perbandingan warna-warni yang diberikan kepada mitokondria menjadi jelas.

Energi ATP digunakan dalam berbagai proses: untuk perakitan struktur kompleks (misalnya protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat) dari protein pembangun, aktivitas mekanik (kontraksi otot), kerja listrik (kemunculan dan perambatan impuls saraf ), transportasi dan akumulasi zat di dalam sel, dll. Singkatnya, kehidupan tanpa energi tidak mungkin, dan segera setelah terjadi kekurangan energi, makhluk hidup akan mati.

Mari kita kembali ke pertanyaan tentang peran oksigen dalam pembangkitan energi. Sepintas, partisipasi langsung oksigen dalam proses vital ini tampak tersamar. Mungkin tepat untuk membandingkan pembakaran hidrogen (dan pembentukan energi yang dihasilkannya) dengan jalur produksi, meskipun rantai pernapasan bukanlah jalur untuk perakitan, tetapi untuk “pembongkaran” materi.

Asal usul rantai pernapasan adalah hidrogen. Dari situ aliran elektron mengalir ke tujuan akhir - oksigen. Jika tidak ada atau kekurangan oksigen, jalur produksi akan berhenti atau tidak bekerja pada kapasitas penuh, karena tidak ada yang membongkar, atau efisiensi pembongkaran menjadi terbatas. Tidak ada aliran elektron - tidak ada energi. Menurut definisi yang tepat dari ahli biokimia terkemuka A. Szent-Gyorgyi, kehidupan dikendalikan oleh aliran elektron, yang pergerakannya ditentukan oleh sumber energi eksternal - Matahari. Sangat menggoda untuk melanjutkan pemikiran ini dan menambahkan bahwa karena kehidupan dikendalikan oleh aliran elektron, maka oksigen menjaga kelangsungan aliran ini.

Mungkinkah mengganti oksigen dengan akseptor elektron lain, melepaskan rantai pernapasan, dan memulihkan produksi energi? Pada prinsipnya hal itu mungkin. Hal ini mudah ditunjukkan dalam percobaan laboratorium. Bagi tubuh, memilih akseptor elektron seperti oksigen agar mudah diangkut, menembus ke seluruh sel dan berpartisipasi dalam reaksi redoks masih merupakan tugas yang sulit dipahami.

Jadi, oksigen, dengan tetap menjaga kelangsungan aliran elektron dalam rantai pernapasan, dalam kondisi normal berkontribusi pada pembentukan energi yang konstan dari zat yang memasuki mitokondria.

Tentu saja, situasi yang disajikan di atas agak disederhanakan, dan kami melakukan ini agar lebih jelas menunjukkan peran oksigen dalam pengaturan proses energi. Efektivitas pengaturan tersebut ditentukan oleh pengoperasian peralatan untuk mengubah energi pergerakan elektron (arus listrik) menjadi energi kimia ikatan ATP. Jika nutrisi ada bahkan dengan adanya oksigen. terbakar di mitokondria “sia-sia”, energi panas yang dilepaskan dalam hal ini tidak berguna bagi tubuh, dan kelaparan energi dapat terjadi dengan segala konsekuensinya. Namun, kasus ekstrim gangguan fosforilasi selama transfer elektron di mitokondria jaringan hampir tidak mungkin terjadi dan belum pernah ditemui dalam praktik.

Kasus disregulasi produksi energi yang terkait dengan suplai oksigen ke sel yang tidak mencukupi lebih sering terjadi. Apakah ini berarti kematian seketika? Ternyata tidak. Evolusi memutuskan dengan bijak, meninggalkan cadangan kekuatan energi tertentu untuk jaringan manusia. Ini disediakan oleh jalur bebas oksigen (anaerobik) untuk pembentukan energi dari karbohidrat. Namun efisiensinya relatif rendah, karena oksidasi nutrisi yang sama dengan adanya oksigen menghasilkan energi 15-18 kali lebih banyak dibandingkan tanpa oksigen. Namun, dalam situasi kritis, jaringan tubuh tetap bertahan justru karena produksi energi anaerobik (melalui glikolisis dan glikogenolisis).

Ini adalah penyimpangan kecil yang berbicara tentang potensi pembentukan energi dan keberadaan suatu organisme tanpa oksigen, bukti lebih lanjut bahwa oksigen adalah pengatur proses kehidupan yang paling penting dan bahwa keberadaan tidak mungkin terjadi tanpanya.

Namun, yang tidak kalah pentingnya adalah partisipasi oksigen tidak hanya dalam energi, tetapi juga dalam proses plastik. Aspek oksigen ini ditunjukkan pada tahun 1897 oleh rekan senegara kita yang luar biasa A. N. Bach dan ilmuwan Jerman K. Engler, yang mengembangkan posisi “tentang oksidasi lambat suatu zat dengan oksigen aktif”. Untuk waktu yang lama, ketentuan ini masih terlupakan karena terlalu besarnya minat para peneliti terhadap masalah partisipasi oksigen dalam reaksi energi. Baru pada tahun 60an abad kita, pertanyaan tentang peran oksigen dalam oksidasi banyak senyawa alami dan asing kembali diangkat. Ternyata, proses ini tidak ada hubungannya dengan pembangkitan energi.

Organ utama yang menggunakan oksigen untuk memasukkannya ke dalam molekul zat teroksidasi adalah hati. Dalam sel hati, banyak senyawa asing yang dinetralkan dengan cara ini. Dan jika hati memang pantas disebut sebagai laboratorium netralisasi obat-obatan dan racun, maka oksigen dalam proses ini mendapat tempat yang sangat terhormat (jika tidak dominan).

Secara singkat tentang lokalisasi dan desain peralatan konsumsi oksigen untuk keperluan plastik. Pada membran retikulum endoplasma yang menembus sitoplasma sel hati, terdapat rantai transpor elektron pendek. Ini berbeda dari rantai pernapasan yang panjang (dengan sejumlah besar pembawa). Sumber elektron dan proton dalam rantai ini adalah NADP tereduksi, yang terbentuk di sitoplasma, misalnya selama oksidasi glukosa dalam siklus pentosa fosfat (oleh karena itu glukosa dapat disebut sebagai mitra penuh dalam detoksifikasi zat). Elektron dan proton ditransfer ke protein khusus yang mengandung flavin (FAD) dan darinya ke tautan terakhir - sitokrom khusus yang disebut sitokrom P-450. Seperti hemoglobin dan sitokrom mitokondria, ini adalah protein yang mengandung heme. Fungsinya ganda: mengikat zat teroksidasi dan berpartisipasi dalam aktivasi oksigen. Hasil akhir dari fungsi sitokrom P-450 yang sedemikian kompleks adalah bahwa satu atom oksigen memasuki molekul zat yang teroksidasi, yang kedua - ke dalam molekul air. Perbedaan antara tindakan akhir konsumsi oksigen selama pembentukan energi di mitokondria dan selama oksidasi zat di retikulum endoplasma terlihat jelas. Dalam kasus pertama, oksigen digunakan untuk membentuk air, dan dalam kasus kedua, untuk membentuk air dan substrat teroksidasi. Proporsi oksigen yang dikonsumsi dalam tubuh untuk keperluan plastik bisa mencapai 10-30% (tergantung pada kondisi yang mendukung terjadinya reaksi-reaksi ini).

Mengajukan pertanyaan (bahkan secara teoritis) tentang kemungkinan mengganti oksigen dengan unsur lain tidak ada gunanya. Mengingat jalur pemanfaatan oksigen ini juga diperlukan untuk pertukaran senyawa alami yang paling penting - kolesterol, asam empedu, hormon steroid - mudah untuk memahami sejauh mana fungsi oksigen meluas. Ternyata mengatur pembentukan sejumlah senyawa endogen penting dan detoksifikasi zat asing (atau sekarang disebut xenobiotik).

Namun perlu dicatat bahwa sistem enzimatik retikulum endoplasma, yang menggunakan oksigen untuk mengoksidasi xenobiotik, mempunyai beberapa biaya, yaitu sebagai berikut. Terkadang, ketika oksigen dimasukkan ke dalam suatu zat, senyawa yang lebih beracun akan terbentuk daripada senyawa aslinya. Dalam kasus seperti itu, oksigen berperan sebagai kaki tangan dalam meracuni tubuh dengan senyawa yang tidak berbahaya. Biaya tersebut menjadi sangat besar, misalnya ketika karsinogen terbentuk dari prokarsinogen dengan partisipasi oksigen. Secara khusus, komponen asap tembakau yang terkenal, benzopyrene, yang dianggap sebagai karsinogen, sebenarnya memperoleh sifat ini ketika dioksidasi di dalam tubuh untuk membentuk oxybenzpyrene.

Fakta di atas memaksa kita untuk memperhatikan proses enzimatik di mana oksigen digunakan sebagai bahan bangunan. Dalam beberapa kasus, perlu dikembangkan tindakan pencegahan terhadap metode konsumsi oksigen ini. Tugas ini sangat sulit, tetapi perlu dicari pendekatan untuk menggunakan berbagai teknik untuk mengarahkan potensi pengatur oksigen ke arah yang diperlukan tubuh.

Yang terakhir ini sangat penting dalam kasus penggunaan oksigen dalam proses yang “tidak terkendali” seperti oksidasi peroksida (atau radikal bebas) dari asam lemak tak jenuh. Asam lemak tak jenuh merupakan bagian dari berbagai lipid dalam membran biologis. Arsitektur membran, permeabilitasnya dan fungsi protein enzimatik yang membentuk membran sangat ditentukan oleh rasio berbagai lipid. Peroksidasi lipid terjadi baik dengan bantuan enzim atau tanpa enzim. Pilihan kedua tidak berbeda dengan oksidasi radikal bebas lipid dalam sistem kimia konvensional dan memerlukan adanya asam askorbat. Partisipasi oksigen dalam peroksidasi lipid, tentu saja, bukanlah cara terbaik untuk memanfaatkan kualitas biologisnya yang berharga. Sifat radikal bebas dari proses ini, yang dapat diprakarsai oleh besi divalen (pusat pembentukan radikal), memungkinkannya dengan cepat menyebabkan disintegrasi tulang punggung lipid pada membran dan, akibatnya, kematian sel.

Namun bencana seperti itu tidak terjadi dalam kondisi alamiah. Sel mengandung antioksidan alami (vitamin E, selenium, beberapa hormon) yang memutus rantai peroksidasi lipid, mencegah pembentukan radikal bebas. Meski demikian, penggunaan oksigen dalam peroksidasi lipid, menurut beberapa peneliti, juga memiliki aspek positif. Dalam kondisi biologis, peroksidasi lipid diperlukan untuk pembaharuan membran, karena lipid peroksida merupakan senyawa yang lebih larut dalam air dan lebih mudah dilepaskan dari membran. Mereka digantikan oleh molekul lipid hidrofobik baru. Hanya proses yang berlebihan yang menyebabkan runtuhnya selaput dan perubahan patologis dalam tubuh.

Saatnya mengambil stok. Jadi, oksigen merupakan pengatur terpenting proses vital, digunakan oleh sel-sel tubuh sebagai komponen penting untuk pembentukan energi dalam rantai pernapasan mitokondria. Kebutuhan oksigen untuk proses ini tidak terpenuhi secara merata dan bergantung pada banyak kondisi (pada kekuatan sistem enzimatik, kelimpahan substrat, dan ketersediaan oksigen itu sendiri), namun sebagian besar oksigen dihabiskan untuk proses energi. Oleh karena itu, “upah layak” dan fungsi jaringan dan organ individu selama kekurangan oksigen akut ditentukan oleh cadangan oksigen endogen dan kapasitas jalur produksi energi bebas oksigen.

Namun, menyuplai oksigen ke proses plastik lainnya juga tidak kalah pentingnya, meskipun sebagian kecilnya dikonsumsi untuk proses tersebut. Selain sejumlah sintesis alami yang diperlukan (kolesterol, asam empedu, prostaglandin, hormon steroid, produk metabolisme asam amino yang aktif secara biologis), keberadaan oksigen sangat diperlukan untuk netralisasi obat-obatan dan racun. Jika terjadi keracunan oleh zat asing, kita mungkin dapat berasumsi bahwa oksigen lebih penting untuk plastik dibandingkan untuk keperluan energi. Dalam kasus keracunan, sisi tindakan ini dapat diterapkan secara praktis. Dan hanya dalam satu kasus dokter harus memikirkan bagaimana cara membatasi konsumsi oksigen di dalam sel. Kita berbicara tentang penghambatan penggunaan oksigen dalam peroksidasi lipid.

Seperti yang bisa kita lihat, pengetahuan tentang karakteristik pengiriman dan rute konsumsi oksigen dalam tubuh adalah kunci untuk mengungkap gangguan yang timbul pada berbagai jenis kondisi hipoksia, dan taktik yang tepat dalam penggunaan terapeutik oksigen di klinik. .