Samspelet mellan blod och vävnad

Mikrocirkulation är ett begrepp som beskriver blodets distribution i själva vävnaden. Man kan enkelt säga att mikrocirkulationen är länken mellan vätskan och ämnena i blodet och cellerna i vävnaden. Mikrocirkulationen möjliggörs, som tidigare nämnt, av att endotelcellerna i kapillärerna är genomsläppliga för vissa komponenter i blodet och vävnadsvätskan. Vissa ämnen i blodet kan således passera kapillärväggen ut i vävnadsvätskan och vice versa.  Man kallar denna egenskap för kapillärpermeabilitet (permeabilitet=genomsläpplighet). I vävnaden utanför kapillärerna ligger cellerna i ett extracellulärmatrix (läs om extracellulärmatrix under rubriken Blodkärlen) som framför allt består av ett nätverk av proteinfibrer. Förutom extracellulärmatrix finns stora mängder vatten och elektrolyter utanför cellerna. Ofta kallar man denna vätska för extracellulärvätska (även interstitiell vätska). Viss studielitteratur räknar dock också vätskan i blodet (blodplasman) som extracellulärvätska.

 

Diffusion

Diffusionen är ett kemiskt fenomen som förklarar en stor mängd av alla biologiska processer. Om man skaffar sig en god förståelse för hur diffusionen fungerar (den är relativt enkel) underlättar man också sin egen förståelse för olika fenomen inom biologin.

Diffusion är en spontan utspridningsprocess av ett specifikt ämne. Man kan jämföra diffusionen med att blanda koncentrerad saft med vatten. När man blandar koncentrerad saft med vatten blandar sig dessa ofta spontant. På så sätt får man saft som är jämnt stark. Ämnen har alltså en spontan vilja att sprida sig jämnt i ett medium. Eftersom ämnen generellt har denna ambition rör sig ämnen från platser med hög koncentration av ett ämne till platser med låg koncentration av samma ämne. Det gör de ända tills koncentrationen är lika hög på de båda platserna. En koncentrationsgradient (en koncentrationsskillnad mellan två platser) är därför i regel den kraft som får ämnen att förflytta sig via diffusion. Då ett ämne förflyttar sig genom diffusion säger man att det diffunderar.

Diffusionsprincipen beskriver alltså en benägenhet hos ämnen att sprida sig jämnt mellan två platser. Denna princip kan tillämpas på lösta ämnen, men också det medium som ämnena är lösta i. Anta att man har två stycken utrymmen med vatten i. Dessa två utrymmen är anslutna med ett filter som tillåter passage av vatten, men inte av lösta ämnen. Om man utifrån dessa förutsättningar tillsätter ett lösligt ämne - säg NaCl - i det ena utrymmet kommer dessa inte kunna diffundera in i det andra utrymmet på grund av filtret. Detta trots att NaCl skulle vilja göra det, eftersom en koncentrationsgradient finns mellan utrymmena. Vattnet i det utrymme som inte har NaCl kommer därför att strömma in i det NaCl-berikade utrymmer. Inte bara ämnena utan också den lösliga vätskan (i detta fallet vattnet) strävar efter koncentrationsjämvikt. Detta förklarar hur albumin (som har en hög benägenhet att binda Na+) lyckas bibehålla mycket av kroppsvätskan i blodet. På så sätt reglerar albumin plasmaosmolaliteten. Läs mer om detta här.

En cell i en vävnad utbyter ämnen med extracellulärvätskan runt omkring cellen själv. Syre och koldioxid, som cellen omsätter i sin metabolism (ämnesomsättning), är gaser som fritt kan passera cellmembranet (cellens vägg/barriär mot omgivningen). Transporten av dessa gaser mellan blodet och cellerna sker genom diffusion.

När cellen producerar koldioxid, som ett led i förbränningen, vill koldioxiden gå från områden med hög koldioxidkoncentration (cellens insida) till områden med lägre koldioxidkoncentration (extracellulärvätskan). Koldioxiden strävar efter att sprida sig jämnt mellan cellen och extracellulärvätskan. Blodet i kapillären som försörjer området har en låg koldioxidhalt därför att det nyligen har avgett koldioxid i lungvävnaden. Därför vill koldioxiden i extracellulärvätskan sprida sig till blodet. I och med att cellen ständigt producerar koldioxid, samtidigt som koldioxidfattigt blod ständigt strömmar genom vävnaden, sker en kontinuerlig borttransport av koldioxid från cellerna in i blodet.

Figur 6. Principen för hur koldioxid transporteras från cellerna i en vävnad till blodet i kapillärerna.

 

På samma sätt, fast omvänt, fungerar syreutbytet mellan cellerna och blodet i kapillärerna. Blodet som kommer till kapillärerna är syrerikt därför att de nyligen har syresatts i lungorna. Cellerna och extracellulärvätskan är däremot syrefattiga, därför att cellerna hela tiden förbrukar syre. På detta sätt finns en koncentrationsskillnad mellan blodet i kapillären och vävnaden. Koncentrationsgradienten gör så syret i blodet diffunderar till vävnadens celler. Sålunda får cellerna tillgång på det syre som kommer med blodet. I realiteten kan man se på diffusionsprocessen som kontinuerlig – transporten av koldioxid och syre från och till cellerna sker ständigt.  

Principen för diffusion förklarar också varför exempelvis näringsämnen kommer till cellerna och varför sura metaboliter transporteras bort från cellerna.

 

Hemoglobin

Hemoglobin är ett protein som binder till syre och koldioxid. Proteinet finns bara i de röda blodkropparna. Dessa är mer eller mindre proppfulla med hemoglobin.

En hemoglobinmolekyl består av fyra sinnrikt ihopkopplade aminosyrakedjor som kallas för globin. I varje globinmolekyl finns en speciell struktur; en skiva som kallas för hemgrupp (även haem- eller hämgrupp). I mitten av denna skiva finns en järnatom. Det är hemgruppen som ger hemoglobinet, blodcellen och därmed hela blodet dess röda färg. När hemgruppen har bundit till syre ändras färgen på hela hemoglobinmolekylen så att den får en lite ljusare röd färg. Syrerikt arteriellt blod (som ju har massa syre bundet till hemoglobinet) är därför ljusrött jämfört med syrefattigt venöst blod, som är mer mörkrött.

 

 

Figur 7. Hemoglobinets uppbyggnad. Varje hemoglobin består av fyra stycken peptidkedjor, alla med var sin hemgrupp.

 

Järn kan ändra sin elektronladdning (balansen mellan protoner och elektroner i atomen) vilket gör att järnet i hemoglobinet enkelt kan oxideras (avge elektroner) och reduceras (ta upp elektroner). Denna egenskap gör att järnet binder syre mycket bra. Det speciella med hemoglobinet är inte dess förmåga att binda till syre utan dess förmåga att släppa iväg det. Skulle järnet bara flyta runt i blodet helt fritt skulle det binda sig till syre och aldrig släppa iväg det till vävnaderna. Vad hemolobinet gör när det märker av att det är i en syrefattig och lite sur miljö – i själva vävnaden – är att det ändrar sin form (konformation) så att järnet i hemgruppen släpper iväg syret. Där det istället finns gott om syre – i lungvävnaden – sker återigen en konformationsförändring som tillåter järnet att binda sig till syre. Hemoglobinet binder sig till syre och släpper sedan syret, om och om igen vid varje varv i cirkulationssystemet.

Konformationsförändringen som innebär att syret frisätts från hemoglobinet, underlättar för koldioxiden att binda in till hemoglobinproteinet. Hemoglobinet anpassar sig därför efter om det är koldioxid eller syre som behöver transporteras. På så sätt är hemoglobinet expert på sin uppgift – att transportera syre från lungorna till kroppens vävnader och koldioxid från kroppens vävnader till lungorna.

Så mycket som 98 % av allt syre i blodet transporteras bundet till hemoglobin. De övriga 2 % transporteras löst i blodet. Hemoglobinet och det fria syret har en jämviktsrelation till varandra. Det betyder att mängden syre i blodet har en viss relation till mängden syre bundet till hemoglobin. Eftersom hela 98 % av syret i blodet är hemoglobinbundet och bara 2 % är fritt och obundet är relationen mellan syre och hemoglobin sådan att jämvikt uppnås först då en mycket större andel syre är bundet än obundet. Först vid detta förhållande, 2:98, råder en balans mellan den kemiska reaktion som förbinder syremolekylerna och hemoglobinet, och den reaktion som får dem att separera. Man kan säga att syret mycket hellre binder till hemoglobin än åker runt fritt i blodet.

 

 

 Figur 8. Transportformer för syre i blod.

 

Som nämnt består hemoglobin av fyra stycken delar – globiner. I varje globinmolekyl finns en hemgrupp och därför en järnatom. Varje hemoglobinprotein innehåller alltså fyra stycken hemgrupper med järn och det medför att fyra stycken syremolekyler (O2) kan binda till en hemoglobin. Syret binder till hemoglobinet i lungvävnaden. Därifrån transporteras blodet tillbaks till hjärtat, varifrån det pumpas ut i systemkretsloppet till kroppens alla vävnader. Väl i vävnaden frigörs syret från hemoglobinet och koldioxiden binder in.

Koldioxiden transporteras inte i alls lika stor utsträckning bundet till hemoglobin, som syret. Istället är det bara omkring 5-10 % av koldioxiden som binder till hemoglobin. Koldioxid binder emellertid inte till hemoglobinets hemgrupp. Istället binder det till andra delar av hemoglobinet. Majoriteten av koldioxiden som produceras (cirka 70-80 %) transporteras i blodet till lungorna i form av bikarbonat. Bikarbonat är en kemisk förening som med kolsyra som mellansteg bildas av koldioxid och vatten. Reaktionen ser ut på följande vis:

CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3        Koldioxid + Vatten → Kolsyra → Proton + Bikarbonat

Denna reaktion gör att koldioxiden omvandlas. När det omvandlas blir koncentrationen av koldioxid mindre i blodet och därför kan diffusionen av koldioxid från vävnaden till blodet i kapillären fortlöpa. Läs mer om denna princip nedan.

Koldioxiden omvandlar sig till bikarbonat i vävnaden därför att vävnaden är rik på koldioxid. Reaktionen ovan är egentligen en jämviktsreaktion:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3        Koldioxid + Vatten ↔ Kolsyra ↔ Proton + Bikarbonat

När en av reaktanterna i en jämviktsreaktion får en annan koncentration kompenseras jämvikten till ett nytt läge. Det innebär att reaktionen går den riktning som gör att jämvikten åter igen upprättas. Om koldioxidkoncentrationen är hög, som i vävnaden, går därför reaktionen åt höger så att bikarbonat bildas.

I lungvävnaden är koldioxidkoncentrationen emellertid låg. För att jämvikten ska upprätthållas måste reaktionerna gå åt vänster:

CO2 + H2O ← H2CO3 ← H+ + HCO3        Koldioxid + Vatten ← Kolsyra ← Proton + Bikarbonat

Detta gör att bikarbonat omvandlas tillbaka till koldioxid. Det är bara koldioxid som kan diffundera ut i luftrummen i lungorna och andas ut. Bikarbonaten kan inte göra detsamma. Genom denna mekanism kan blodet göra sig av med koldioxiden i lungorna, trots att koldioxiden transporteras till störst del (70-80 %) i form av bikarbonat.

Resterande 5-10 %, det som varken omvandlas till bikarbonat eller binder till hemoglobin, transporteras i löst form.

 

Figur 9. Transportformer för koldioxid i blod.

 

Transporten blir mer effektiv då syre och koldioxid inte bara är fria

Man kan härvid ställa sig frågan: vad är poängen med att blodet omvandlar eller hemoglobinbinder de två gaser det har som uppgift att transportera? Varför kan inte syre och koldioixid bara lösa sig i blodet och sedan transporteras på det sättet?

Anledningen till att transporten inte går till så i kroppen är att det vore ett tämligen ineffektivt transportsätt. Transporten av syre och koldioxid i blodet bygger på samma princip som transporten av ämnen med plasmaproteinerna (läs om denna här). Genom att det fria syret och den fria koldioxiden omvandlas eller binds till proteiner (i detta fall hemoglobin) förskjuts jämvikten av dessa ämnen. Transporten av syre från lungvävnaden blir mycket större då hemoglobin binder upp det syre som diffunderar in i blodet. Diffusionen av syre från luften som inandas går i riktningen av koncentrationsgradienten (skillnaden mellan en hög och en låg koncentration av ett ämne). Det betyder att syret rör sig från ett område med en hög koncentration av syre (luften som andas in) till ett område med låg koncentration av syre (blodet som passerar lungvävnaden). Om det syre som följaktligen diffunderar in i blodet där binder till hemoglobin innebär denna diffusion inte att blodet mättas så fort syre kommer dit. Istället försvinner de fria obundna syremolekylerna, i och med att de binder till hemoglobin, så att koncentrationsgradienten förblir. Denna mekanism svarar för att blodet kan transportera otroligt mycket mer syre, än om blodet bara kunde transportera det syre som spontant löser sig i blodplasman.

När det syrerika blodet väl kommer till kapillären där syret ska avges förflyttas den fria fraktionen (de 2 % som alltid är löst i blodet) ut i vävnaden. Detta förskjuter jämvikten (läs om jämvikt ovan eller mer ingående här) så att det hemoglobinbundna syret frisätts och också kan åka ut i vävnaden.

Denna mekanism förklarar också koldioxidens transport. Genom att majoriteten av koldioxiden omvandlas till bikarbonat eller binder till hemoglobin förblir den koncentrationsgradient som får koldioxiden i vävnaden att diffundera till blodet. Väl i lungvävnaden rymmer den fria obundna/icke-omvandlade fraktionen från blodet ut till luften i lungorna. Rymmer den fria fraktionen, förskjuts jämvikten så att även den omvandlade eller tillbundna delen frisätts och kan rymma från blodet.

Figur 10 förklarar denna mekanism schematiskt.

Figur 10. Schematisk bild över relationen mellan fri gas i vävnad, fri gas i blod och proteinbunden/omvandlad gas i blod.

 

Låt oss vara mer specifika och följa hur syret kommer in i blodet i lungvävnaden och sedan hur det lämnar blodet, väl i vävnaden. I lungorna är vävnaden tämligen syrerik. Anledningen är att lungorna ständigt ventileras med luften från atmosfären, genom att vi andas. Blodet som kommer till lungorna är venöst. Det betyder att det nyligen har färdats från kroppens vävnader via venerna, tillbaks till höger hjärthalva och därifrån pumpats upp i lungkretsloppet och således till lungornas kapillärer. Det är här blodet avger sitt koldioxid till luften i lungorna och tar upp syret. Blodet som kommer till lungorna är alltså syrefattigt och hemoglobinet i alla röda blodkroppar är omättat (har ytterst lite syre bundet till sig). Eftersom ett jämviktsförhållande råder mellan det syre som är fritt i blodet och det syre som är bundet till hemoglobin innebär omättat hemoglobin också att den fria fraktionen syre är låg. Därför finns en koncentrationsgradient – en skillnad i koncentration – mellan lungvävnaden och blodet. Syrgasen i lungvävnaden kommer därför att diffundera in i blodet. Det syre som kommer in i blodet kommer, på grund av jämviktsförhållandet med hemoglobinet, att i stor utsträckning binda in till hemoglobin.

Utbytet mellan kapillär och vävnad - syreexempel

 Figur 11. Relationen mellan fritt syre i vävnad, fritt syre i blod och hemoglobinbundet syre.


Artikeln skriven av Hampus Edgren. Lämna feedback / ställ en fråga.
Publicerad 22 juli 2010. Senast uppdaterad 22 januari 2015.

Kommentarer är stängda