สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๔ / เรื่องที่ ๒ การหายใจ / การนำก๊าซหายใจเข้าไปสันดาปกับอาหารภายในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิต

การนำก๊าซหายใจเข้าไปสันดาปกับอาหารภายในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิต พืชและสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังชั้นต่ำ ออกซิเจนสามารถซึมผ่านเข้าสู่เซลล์ได้โดยตรง แต่ในสัตว์ที่มีกระดูกสันหลัง มีเม็ดเลือดแดง คอยทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนที่ดูดผ่านจากอวัยวะหายใจ เข้าสู่ตาข่ายของเส้นเลือดฝอยที่แผ่อยู่ที่ผิวของอวัยวะหายใจ เพื่อนำไปให้เซลล์ใช้ในการสันดาปกับอาหาร ให้ได้พลังงานมาใช้ในการดำรงชีพ แสดงโครงร่างของฮีม หน่วยสำคัญของฮีโมโกลบิน การที่เม็ดเลือดแดงลำเลียงออกซิเจน จากอวัยวะหายใจมาให้เซลล์ใช้ในการหายใจได้ เพราะเม็ดเลือดแดงมีสารที่เรียกว่า ฮีโมโกลบิน (haemoglobin) เป็นองค์ประกอบ สารนี้มีธาตุเหล็กประกอบอยู่ด้วย ในเม็ดเลือดแดงของคนแต่ละเม็ดพบว่า มีฮีโมโกลบินประกอบอยู่ถึง ๒๘๐ ล้านโมเลกุล แต่ละโมเลกุลของฮีโมโกลบินประกอบด้วย ๑ โมเลกุลของโปรตีนชนิดโกลบูลิน (globulin) และ ๔ หน่วยของสารอินทรีย์ ที่มีอะตอมของธาตุเหล็กอยู่ตอนกลางของโมเลกุลด้วย เรียกว่า "ฮีม" (heme) แต่ละอะตอมของธาตุเหล็กที่เป็นองค์ประกอบของฮีโมโกลบินโมเลกุล สามารถที่จะรวมตัวกับโมเลกุลของออกซิเจนได้อย่างหลวมๆ ได้เป็นออกซีฮีโมโกลบิน ดังนั้นแต่ละโมเลกุลของฮีโมโกลบิน ก็จะมีโมเลกุลของออกซิเจนไปจับถึง ๔ โมเลกุล (Hb-O) การที่มีออกซิเจนไปจับกับฮีโมโกลบินจะทำให้เลือดมีสีแดงเข้ม ส่วนฮีโมโกลบินที่ไม่มีออกซิเจนไปจับมักจะพบมีสีค่อนข้างคล้ำ การที่เป็นเช่นนี้ เนื่องจากออกซิเจนที่ไปจับทำให้รูปแบบของกรดอะมิโนที่จับอยู่กับฮีมเปลี่ยนไปเล็กน้อย ออกซีฮีโมโกลบินนี้ จะผ่านออกมาจากอวัยวะหายใจตรงเข้าสู่หัวใจ เพื่อสูบฉีดไปให้เนื้อเยื่อทุกหนทุกแห่งภายในร่างกาย แหล่งสร้างเม็ดเลือดแดงคือ ไขกระดูกของกระดูกแขน และกระดูกขา แต่ขณะที่ยังเป็นตัวอ่อนอยู่ในครรภ์มารดา เม็ดเลือดแดงอาจสร้างมาจากม้ามและตับได้ เม็ดเลือดแดงของคน และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ขณะที่อยู่ในเลือด และทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนไม่มีนิวเคลียส นับเป็นวิวัฒนาการอย่างหนึ่ง ที่ช่วยให้มีโมเลกุลของฮีโมโกลบินอยู่ในเซลล์ของเม็ดเลือดแดงเพิ่มมากยิ่งขึ้น เม็ดเลือดแดงที่มีอายุมากแล้ว ทำงานไม่ได้ดี จะถูกตับทำลาย และสร้างจากไขกระดูกขึ้นมาแทนที่ แต่ถ้าเกิดเป็นบาดแผลมาก ไขกระดูกสร้างให้ไม่ทันใช้ อาจพบเม็ดเลือดแดงที่ยังมีอายุน้อย และมีนิวเคลียสออกมาอยู่ในเลือดได้

แสดงการแลกเปลี่ยนก๊าซออกซิเจน

สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังชั้นสูงหลายชนิด เช่น พวกไส้เดือนดิน หรือหอยบางชนิดที่เลือดมีสีแดงก็มีฮีโมโกลบิน สำหรับนำออกซิเจนไปให้เซลล์ใช้ด้วย แต่ฮีโมโกลบินของสัตว์เหล่านี้ละลายอยู่ในน้ำเลือด (plasma) การที่ฮีโมโกลบินละลายอยู่ในน้ำเลือด ทำให้มีประสิทธิภาพในการขนส่งออกซิเจน ไปให้เซลล์ได้น้อยกว่าที่พบอยู่ในเม็ดเลือด เพราะจากการวัดความสามารถในการรวมตัวกับออกซิเจน พบว่า มีฮีโมโกลบินที่อยู่ในเม็ดเลือด สามารถรวมตัวกับออกซิเจนได้ดีกว่าที่ละลายอยู่ในน้ำเลือดมาก นอกจากฮีโมโกลบินแล้วสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด ก็มีสารอื่น ที่ทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนได้ด้วย เช่น ฮีโมไซยานิน (haemocyanin) ที่พบในน้ำเลือดของสัตว์พวกแมลง กุ้ง และหอยหลายชนิด สารฮีโมไซยานินมีโลหะทองแดง (Cu) จับกับโมเลกุลของโปรตีนในเลือด ทำให้เลือดของสัตว์พวกนี้ไม่มีสี แต่ในตอนที่รวมตัวกับออกซิเจนจะพบมีสีน้ำเงินอ่อนๆ สำหรับฮีโมโกลบินที่อยู่ในเม็ดเลือดแดงของสัตว์มีกระดูกสันหลังชั้นสูง รวมทั้งคนด้วยนั้น เมื่อผ่านไปถึงเซลล์ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความกดดันของออกซิเจนต่ำกว่าในเม็ดเลือดแดงมาก เพราะโดยปกติ ความกดดันของออกซิเจนที่ปอดมีถึง ๑๐๘ มม. แต่เซลล์ขณะพักจะมีความกดดันเพียง ๔๐ มม. ดังนั้นออกซีฮีโมโกลบินจึงแตกตัว ปล่อยเอาออกซิเจนซึมผ่านเส้นเลือดฝอย ไปให้เซลล์ใช้ในการหายใจได้ โดยปกติ ฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงของคน จะปล่อยออกซิเจนที่จับไว้ใช้เซลล์ใช้ เพียงประมาณ ๔๐% เท่านั้น จะยังคงเหลืออยู่ในเส้นเลือดดำไปให้ปอดฟอกอีกถึง ๖๐% ในขณะที่ออกกำลังกาย หรือทำงานหนักๆ ออกซีฮีโมโกลบินจะปล่อยออกซิเจนให้เซลล์ได้มากขึ้นอีก จนอาจลดลงเพียง ๒๘% ที่เป็นเช่นนี้ เป็นเพราะอัตราการใช้ออกซิเจนของเซลล์ขณะออกกำลังกาย หรือทำงานหนักสูงกว่าปกติ เป็นผลให้มีการขยายตัวของเส้นเลือดฝอย บริเวณอวัยวะที่เป็นส่วนสำคัญในการทำงาน เช่น กล้ามเนื้อ ทำให้มีการขยายเนื้อที่ของการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเลือด และเซลล์กล้ามเนื้อเพิ่มมากขึ้น

แสดงการแลกเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

นอกจากก๊าซออกซิเจนแล้ว ฮีโมโกลบินอาจรวมตัวได้ง่ายกับก๊าซอื่นๆ เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ ที่เกิดจากการเผาไหม้ ของพวกถ่านหิน ไอเสียของรถยนต์ ควันบุหรี่ ฯลฯ ก๊าซนี้สามารถที่จะรวมตัวกับฮีโมโกลบินได้ดีกว่าออกซิเจน เป็นก๊าซที่มีอันตรายมาก เพราะก๊าซนี้จะจับกับฮีโมโกลบินอย่างถาวร ทำให้ออกซิเจนจับกับฮีโมโกลบินไม่ได้ จึงทำให้ร่างกายได้รับออกซิเจนน้อยลง และเซลล์หายใจได้น้อยลงตามไปด้วย ผู้ที่ได้รับคาร์บอนมอนอกไซด์มากๆ จะมีอาการตามัว หูไม่ได้ยิน หมดความรู้สึก และตายในที่สุด นอกจากจะทำหน้าที่ขนส่งออกซิเจนจากอวัยวะหายใจไปให้เซลล์ใช้แล้ว เลือดยังทำหน้าที่สำคัญ ในการลำเลียงคาร์บอนไดออกไซด์ ไปปล่อยออกที่อวัยวะหายใจด้วย ส่วนหนึ่งของคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งผ่านออกมาจากเซลล์จะละลายอยู่ในส่วนที่เป็นน้ำเลือด และอีกส่วนหนึ่งก็จะมาจับกับโมเลกุลของฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดงอย่างหลวมๆ คาร์บอนไดออกไซด์ที่จับกับโมเลกุลของฮีโมโกลบิน และที่ละลายอยู่ในน้ำเลือดนี้ อยู่ในสภาพเป็นอนุมูลไบคาร์บอเนต ซึ่งเกิดขึ้น โดยในขั้นแรกจะรวมตัวกับน้ำได้เป็นกรดคาร์บอนิค ปฏิกิริยาการเกิดกรดคาร์บอนิคนี้เกิดขึ้นเร็วมากในเม็ดเลือดแดงเพราะเม็ดเลือดแดงมีเอนไซม์ชื่อ คาร์บอนิคแอนไฮเดรส (carbonic anhydrase) ช่วยเร่งปฏิกิริยา ขั้นต่อไปกรดคาร์บอนิคที่เกิดขึ้น จะแตกตัวออกเป็นอนุมูลไฮโดรเจน และอนุมูลไบคาร์บอเนตทันที เพราะถ้าอยู่ในสภาพเป็นกรดต่อไปจะทำให้เลือดมีฤทธิ์เป็นกรดมากขึ้น และทำให้ เป็นอันตรายได้ สำหรับ H+ ซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรดก็จะถูกโปรตีนในน้ำเลือดและฮีโมโกลบินทำหน้าที่จับเอาไว้ เปลี่ยนไปเป็นแอซิดฮีโมโกลบิน (acid haemoglobin) และแอซิดโปรตีน (acid protein) ซึ่งจะมีฤทธิ์เป็นกรดที่อ่อนกว่ากรดคาร์บอนิคมาก ทำให้ระดับความเป็นกรดด่างภายในเลือดไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อเม็ดเลือดสร้างอนุมูล HCO3- แล้วมันจะค่อยๆ ปล่อย HCO3- จากฮีโมโกลบินเข้าสู่น้ำเลือด ขณะที่ถูกนำไปสู่ปอด และทุกๆ ครั้งที่ปล่อยอนุมูล HCO3- ออกมาในน้ำเลือด อนุมูล CI- ที่อยู่ในน้ำเลือด ก็จะเข้ามาแทนที่โมเลกุลของฮีโมโกลบินในเม็ดเลือดแดง การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่า คลอไรด์ ชีฟท์ (chloride shift) เพื่อช่วยให้เม็ดเลือดแดงขณะที่วนเวียนอยู่ในกระแสโลหิตมีฤทธิ์เป็นกลาง เมื่อผ่านมาถึงปอด ซึ่งมีความดัน ของคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำ ปฏิกิริยาจะกลับตรงข้าม เพราะ HCO3- จะกลับเข้ามาในเม็ดเลือดแดงใหม่ Cl- ก็จะแพร่ออกไปในน้ำเลือด HCO3- ในเม็ดเลือดแดงจะถูกเปลี่ยนเป็น CO2 โดยเอนไซม์คาร์บอนิคแอนไฮเดรส ซึ่งมีอยู่ในเม็ดเลือด (ดังสมการ) ต่อจากนั้น CO2 ก็จะถูกขับออกไปจากปอด