Biokimia Respirasi: Transport Oksigen dan Karbon Dioksida dalam Darah dan Cairan Jaringan

Oksigen terutama diangkut dalam bentuk terikat dengan hemoglobin ke kapiler jaringan. Di sel jaringan tersebut, oksigen bereaksi dengan berbagai bahan makanan sehingga menghasilkan karbon dioksida dalam jumlah besar. Karbondioksida tersebut akan masuk ke kapiler jaringan dan diangkut kembali ke paru. 1

Pengiriman oksigen ke dalam jaringanPengiriman oksigen ke dalam jaringan membutuhkan kerjasama antara sistem respirasi dengan sistem kardiovaskular. Banyaknya oksigen yang dapat didistribusikan ke dalam jaringan tertentu ditentukan oleh banyaknya O2 yang memasuki paru-paru, pertukaran gas paru yang adekuat, aliran darah ke dalam jaringan, dan kemampuan darah untuk membawa O2. Aliran darah ditentukan oleh derajat konstriksi vascular beddan cardiac output sedangkan banyaknya O2 dalam darah ditentukan oleh jumlah O2 terlarut, hemoglobin dan afinitas hemoglobin untuk O2. 2

Reaksi Hemoglobin dan OksigenHemoglobin merupakan pembawa O2 yang baik. Hemoglobin merupakan protein yang tersusun dari empat subunit yang masing-masing berisi heme yang separuhnya menempel pada rantai polipeptida. Pada orang dewasa yang normal, kebanyakan hemoglobin berisi dua rantai alfa dan dua rantai beta. Heme merupakan komplek cincin porfirin yang meliputi satu atom ferrous besi. Masing-masing atom besi tersebut secara reversibel dapat mengikat satu molekul oksigen. Besi tersebut selalu dalam bentuk ferrous sehingga reaksi tersebut dinamakan oksigenasi, bukan oksidasi. Reaksi hemoglobin dengan oksigen adalah Hb+O2 ↔HbO2.Karena berisi empat deoksihemoglobin , molekul hemoglobin juga direpresentasikan sebagai Hb4, dan sebenarnya bereaksi dengan empat molekul O2 untuk membentuk Hb4O8.Reaksi tersebut berlangsung dengan sangat cepat, hanya kurang dari 0,01 detik. Begitu juga dengan deoksigenasi Hb4O8 juga berlangsung dengan sangat cepat. 2

Struktur kuarter hemoglobin tersebut menentukan afinitasnya untuk O2 . Pada deoksihemoglobin, unit globin terikat secara kuat pada tense (T) configuration, yang  mengurangi afinitas molekul terhadap O2. Saat O2 pertama terikat, ikatan yang menahan unit globin dilepaskan, menghasilkan relaxed (R) configuration, yang mengekspos lebih banyak tempat ikatan O2. Hasilnya, afinitasnya dapat meningkat sampai 500 kali. Pada jaringan, reaksi ini berbalik, yaitu terjadi pelepasan oksigen. Transisi dari satu keadaan ke keadaan lainnya diperkirakan terjadi sampai 108 kali sepanjang masa hidup sel darah merah.Hemoglobin sangat penting fungsinya dalam mengatur jumlah oksigen yang diambil dari paru-paru dan dikeluarkan pada jaringan. Jika kadarnya turun sampai 50% seperti pada penderita anemia, kapasitas pembawaan oksigennya juga akan turun sebesar 50% meskipun PO2 normal 100mmHg dan saturasi Hbnya 97%. 3

Oxygen-hemoglobin dissociation curve menghubungkan persentase saturasi  kekuatan pembawaan hemoglobin dengan PO2. Kurva ini ditandai dengan bentuk sigmoid karena ada interkonversi antara T dan R. Kombinasi heme pertama pada molekul Hb dengan O2 meningkatkan afinitas heme kedua, begitu juga seterusnya. Oleh karena itu, afinitas Hb yang keempat jauh lebih banyak dari yang pertama.Saat darah berada dalam kesetimbangan 100% O2 (PO2=760 mmHg), hemoglobin normal menjadi tersaturasi 100%. Dalam keadaan tersaturasi penuh, tiap hemoglobin berisi 1.39 ml O2. Meskipun begitu, darah normalnya berisi sedikit turunan hemoglobin yang tidak aktif, dan nilai pengukuran in vivo lebih rendah. Biasanya nilainya 1,34 mL O2. Konsentrasi hemoglobin dalam darah normal adalah sekitar 15 g/dL (14 g/dL pada wanita dan 16 g/dL pada pria). Oleh karena itu, 1 dL darah berisi 20.1 mL (1.34 mL X 15) O2 terikat pada hemoglobin saat hemoglobin tersaturasi 100%. Jumlah O2 terlarut tergambar dalam fungsi linear PO2. 2

In vivo, hemoglobin dalam darah pada ujung kapiler pulmonary tersaturasi 97,5% dengan O2 (PO2 =97 mmHg). Karena ada sedikit pencampuran dengan darah vena bronkialis yang

mem-by pass kapiler pulmonary (aliran fisiologis), hemoglobin dalam darah arteri sistemik hanya tersaturasi 97%. Pencampuran darah tersebut disebutvenous admixture of blood. 1,2

Darah arteri berisi total 19.8 mL O2 tiap dL: 0.29 mL terlarut, dan 19.5 mL terikat pada hemoglobin. Pada ujung vena, hemoglobin tersaturasi 75% dan total konten O2sekitar 15.2 mL/dL: 0.12 mL dalam larutan dan 15.1 mL terikat pada hemoglobin. Oleh karena itu, pada saat istirahat dapat diperkirakan bahwa jaringan mengambil sekitar 4.6 mL O2 tiap dL darah yang melewatinya; 0.17 mL merepresentasikan O2 yang terlarut dalam darah dan sisanya yang terikat hemoglobin. Dengan cara ini, 250 mL O2per menit ditransportasikan dari darah ke jaringan dalam keadaan istirahat.2 Oksigen yang terikat pada Hb tidak mempengaruhi PO2. Oleh karena itu, PO2 tidak diukur berdasarkan jumlah total oksigen dalam darah, melainkan hanya bagian yang terlarut saja. 3

Olahraga berat akan meningkatkan pemakaian oksigen sampai 20 kali. Peningkatan curah jantung menurunkan waktu darah berada di kapiler paru kurang dari setengah normal. Namun, darah tetap dapat jenuh oleh oksigen ketika meninggalkan paru karena terjadi peningkatan kapasitas difusi dan transit time safety factor.1

Kapasitas difusi oksigen dapat meningkat hampir tiga kali lipat saat olahraga, terutama karena terjadi peningkatan luas permukaan kapiler dan rasio ventilasi-perfusi yang mendekati ideal di bagian atas paru. Sementara itu, dalam keadaan normal, sebenarnya darah sudah mengalami kejenuhan oleh oksigen pada sepertiga pertama kapiler paru. Dalam keadaan itu, darah berada selama tiga kali lebih lama dari waktu yang dibutuhkan untuk mengalami kejenuhan. Oleh karena itu, meskipun aliran darah semakin kencang saat olahraga berat, darah masih tetap tersaturasi penuh. 1

PO2 jaringan ditentukan oleh laju pengangkutan oksigen ke jaringan dan laju pemakaian oksigen oleh jaringan. Jika aliran darah dalam suatu jaringan meningkat, lebih banyak oksigen yang diangkut ke jaringan dalam periode tertentu sehingga PO2meningkat. Sementara penggunaan oksigen untuk metabolisme jaringan akan menurunkan nilai PO2 cairan interstitium.PO2 di bagian-bagian awal kapiler adalah 95 mmHg dan PO2 di cairan interstitium di sekitar sel jaringan adalah sekitar 40mmHg. Karena terdapat perbedaan tekanan inilah, oksigen berdifusi cepat dari darah ke dalam jaringan dan PO2 darah yang meninggalkan kapiler juga menjadi sekitar 40 mmHg.Faktor yang mempengaruhi afinitas hemoglobin untuk oksigenMeskipun PO2 merupakan faktor terpenting yang menentukan persentase saturasi oksigen hemoglobin, ada beberapa faktor yang mempengaruhi afinitas pengikatan oksigen terhadap O2.  Ada empat kondisi penting yang mempengaruhi kurva disosiasi oksigen-hemoglobin, yaitu pH, tekanan parsial karbon dioksida, suhu, dan konsentrasi 2,3-bifosfogliserat (2,3-BPG). Peningkatan suhu atau penurunan pH akan menggeser kurva ke kanan. Pada keadaan ini, semakin tinggi PO2 yang dibutuhkan hemoglobin untuk mengikat oksigen. 2,4

Peningkatan keasaman akan meningkatkan pelepasan oksigen dari hemoglobin. Asam utama yang dihasilkan jaringan yang aktif secara metabolik di antaranya adalah asam laktat dan asam karbonat. Pengurangan afinitas hemoglobin saat pH turun disebut efek bohr. 3,4 Efek Bohr bekerja dengan dua jalur yaitu peningkatan H+ dalam darah akan menyebabkan O2 terlepas dari hemoglobin dan pengikatan oksigen ke hemoglobin menyebabkan pelepasan H+ dari hemoglobin. Dengan begitu, hemoglobin juga bisa berfungsi sebagai buffer. Namun, jika berikatan dengan asam amino dalam hemoglobin, H+ akan mengubah struktur dari hemoglobin sehingga kemampuannya dalam membawa oksigen turun. (4)

Efek Bohr berkaitan dengan fakta bahwa hemoglobin yang terdeoksigenasi mengikat H+lebih aktif daripada hemoglobin yang teroksigenasi. Selain itu, pH akan turun saat kadar CO2 meningkat sehingga saat PCO2 meningkat, kurva juga akan bergeser ke kanan dan P50 meningkat (P50

 merupakan PO2 saat hemoglobin tersaturasi setengah dengan O2). 2,4

2,3-BPG dibentuk dari 3-fosfogliseraldehid yang merupakan produk glikolisis melalui jalur Embden-Meyerhof . Molekul banyak terkandung di dalam sel darah merah. Ini merupakan anion bermuatan tinggi yang mengikat rantai β deoksihemoglobin. Satu mol

deoksihemoglobin mengikat 1 mol 2,3-BPG. Rumusnya adalah HbO2 + 2,3-BPG ↔ Hb – 2,3-BPG + O2

Pada kesetimbangan ini, pengingkatan konsentrasi 2,3-BPG akan menggeser reaksi ke kanan menyebabkan lebih banyak oksigen dilepaskan. Karena asidosis menghambat glikolisis sel darah merah, kadar 2,3-BPG turun saat pH rendah. Sebaliknya, hormon tiroid, hormon pertumbuhan dan androgen dapat menginkatkan konsentrasi 2,3-BPG dan P50.Olahraga dilaporkan menghasilkan peningkatan 2-3-BPG dalam 60 menit. Namun, pada atlet yang terlatih, dapat saja tidak terjadi peningkatan. P50 juga akan meningkat karena terjadi peningkatan suhu pada jaringan yang aktif dan peningkatan CO2 maupun metabolit lainnya yang akan  menurunkan pH. Banyak oksigen yang dilepaskan dari masing-masing darah menuju jaringan yang aktif karena tekanan oksigen oksigen di jaringan berkurang. Akhirnya, pada nilai PO2 yang rendah, kurva disosiasi oxygen-hemoglobin akan berbentuk curam. 2

MyoglobinMyoglobin merupakan pigmen berisi besi yang ditemukan pada otot rangka. Tugas dari mioglobin adalah menyimpan oksigen di dalam sel otot sehingga oksigen tersedia untuk oksidasi bahan bakar yang menghasilkan energi bagi kontraksi otot.5

Myoglobin mirip dengan hemoglobin, hanya saja mengikat 1 mol O2 per mole. Kurva disosiasinya berbentuk hiperbola, berbeda dengan hemoglobin yang bentuknya adalah sigmoid. Karena kurvanya lebih ke kiri daripada kurva hemoglobin, myoglobin mengambil O2 dari hemoglobin di darah. Myoglobin melepaskan O2 hanya pada saat nilai PO2 nya rendah. Pada saat berolahraga, nilai PO2 nya bahkan hampir mendekati nol. Mioglobin ini sangat penting untuk menjaga kontraksi otot. Aliran darah dapat terhambat selama kontraksi tersebut dan mioglobinlah yang akan menyediakan O2 saat aliran darah terhambat. 2,5

Transport Karbon DioksidaDalam keadaan istirahat, sekitar 4 mililiter karbon dioksida diangkut dari jaringan ke paru dalam setiap 100 mililiter darah. Sekitar 70 % karbon dioksida diangkut dalam bentuk ion bikarbonat, 23 % dalam ikatan dengan hemoglobin dan protein plasma serta 7% dalam cairan darah.1

Kelarutan karbondioksida dalam darah sekitar 20 kali dari pada oksigen. Karena adanya karbonat anhidrase, karbondioksida yang berdifusi ke dalam sel darah merah akan segera dihidrasi menjadi H2CO3. H2CO3 tersebut nantinya akan dipecah menjadi H+ dan HCO3

- . H+ akan bereaksi dengan hemoglobin sementara ion bikarbonat akan berdifusi ke plasma.Karbon dioksida bereaksi secara langsung dengan berbagai radikal amin pada molekul hemoglobin dan protein plasma untuk membentuk senyawa karbaminohemoglobin (CO2Hb). Kombinasi karbon dioksida dan hemoglobin ini adalah suatu reaksi reversibel yang membentuk ikatan longgar sehingga karbon dioksida mudah dilepaskan ke dalam alveolus yang PCO2nya lebih rendah daripada di kapiler jaringan.Jumlah karbon dioksida yang dapat ditransportasikan di dalam darah dipengaruhi oleh persentase saturasi hemoglobin dengan oksigen. Semakin sedikit jumlah oksihemoglobin, semakin tinggi kapasitas darah dalam membawa CO2. Hubungan itulah yang disebut efek Haldane.  Selain lebih mampu mengikat oksigen daripada bentuk oksihemoglobin, deoksihemoglobin juga mengikat lebih banyak H+ sehingga H+pada larutan dikurangi dan terjadi promosi konversi CO2

 menjadi HCO3-Konsekuensinya, darah vena membawa banyak

CO2 daripada darah arteri. Pengambilan CO2 dibantu oleh jaringan sementara pelepasannya dibantu oleh paru-paru. 4,2

Sisanya, sekitar 0,3 mL karbon dioksida tiap 100 mL darah (atau sekitar 7%) semua karbon dioksida yang diangkut akan dibawa dalam bentuk karbon dioksida terlarut.  Pergeseran KloridaKarena peningkatan konten HCO3

- sel darah merah lebih besar daripada di plasma saat

darah memasuki kapiler, sekitar 70% HCO3- yang dibentuk di dalam sel darah merah

memasuki plasma dan bertukaran dengan Cl-. Proses ini difasilitasi oleh anion exchanger 1 (AE1, atau yang juga disebut sebagai band 3) yang merupakan sebuah protein utama di

dalam sel darah merah. Oleh karena itu, kadar Cl- dalam sel darah merah vena lebih banyak daripada arteri. Pergeseran klorida ini berlangsung dengan cepat dan lengkap dalam waktu 1 detik. 2

Untuk setiap molekul CO2 yang ditambahkan ke dalam sel darah merah, terdapat peningkatan satu partikel osmotik aktif dalam sel, baik HCO3 maupun Cl- . Oleh karena itu, sel darah merah mengambil air dan meningkatkan ukurannya. Alasan tersebut mendasari fakta bahwa terdapat lebih sedikit cairan dalam darah arteri yang kembali melalui jalur limfatik daripada vena. Hematokrit darah vena normalnya 3% lebih besar daripada arteri. Pada paru, Cl- keluar dari sel, dan sel kembali mengkerut. 2

Afinitas oksigen pada hemoglobin fetal dibandingkan dewasaHemoglobin fetal (Hb-F) berbeda dengan hemoglobin orang dewasa (adult=HbA) dalam struktur dan afinitasnya terhadap oksigen. Hb-F memiliki afinitas yang lebih tinggi untuk oksigen karena kurang mengikat BPG dibanding Hb-A. Saat PO2 rendah, Hb-F dapat mengangkut 30% oksigen lebih banyak dibandingkan Hb-A maternal. Transfer oksigen terjadi di plasenta. Sementara itu, PO2

 di plasenta sangat rendah sehingga Hb-F sangat penting untuk mencegah janin mengalami hipoksia. 4

Hemoglobin janin terdiri dari 2 rantai alfa globulin dan 2 rantai gamma globulin. Dalam beberapa minggu setelah kelahiran, barulah HbF tersebut digantikan dengan HbA (alfa2dan beta2). Perbedaan rantai tersebut yang menyebabkan perbedaan kemampuan afinitas terhadap 2,3-BPG berbeda. 5

disusun oleh Johny Bayu FitantraDaftar Pustaka1 Hall E. Guyton & Hall Buku Saku Fisiologi Kedokteran: Transport Oksigen dan Karbon Dioksida dalam Darah dan Cairan Jaringan. 11thed. Jakarta: EGC;2007. P. 316-21.2 Barret KE, Barman SM, Boitano S, Brooks HL. Ganong’s Review of Medical Physiology: Gas Transport & pH dalam Paru. 23rded. United States: Mc Graw Hill;2010. P. 609-13.3 Sherwood L. Human Physiology: The Respiratory System. 7thed. Canada: Brooks/Cole; 2010. p.490-7.4 Tortora GJ. Prinsiples of Anatomy and Physiology: Transport Oksigen and Carbon Dioxide. 12thed. Vol.2. United States: Wiley;2009. P. 900-55 Marks DB, Marks AD, Smith CM. Biokimia Kedokteran Dasar: Struktur Protein. Jakarta: EGC;2000. P.86-7.