KELARUTAN GAS DALAM DARAH
PENDAHULUAN
Sebelum kita membahas mengenai bagaimana Gas yang terhirup dalam hal ini oksigen dan carbondioksida dapat bercampur dengan darah, ada baiknya kita membahas dahulu apa itu darah dan komponen komponennya. Darah manusia adalah cairan di dalam tubuh yangberfungsi untuk mengangkut oksigen yang diperlukan oleh sel-sel di seluruh tubuh.
Darah juga menyuplai jaringan tubuh dengan nutrisi, mengangkut zat-zat sisa metabolisme, dan mengandung berbagai bahan penyusun sistem imun yang bertujuan mempertahankan tubuh dari berbagai penyakit. Hormon-hormon dari sistem endokrin juga diedarkan melalui darah. Darah manusia berwarna merah, antara merah terang apabila kaya oksigen sampai merah tua apabila kekurangan oksigen. Warna merah pada darah disebabkan oleh hemoglobin, protein pernapasan (respiratory protein) yang mengandung besi dalam bentuk heme, yang merupakan tempat terikatnya molekul-molekul oksigen.
Pada umumnya darah dibedakan atas dua komponen besar yaitu plasma darah dan sel sel penyusun darah. Plasma adalah bagian cair darah dan sebagian besar tersusun oleh air. Sekitar 91% plasma darah terdiri atas air. Selebihnya adalah zat terlarut yang terdiri dari protein plasma (albumin, protrombin, fibrinogen, dan antibodi), garam mineral, dan zat-zat yang diangkut darah (zat makanan, sisa metabolisme, gas-gas, dan hormon). Serum merupakan bagian dari plasma darah yang tidak mengandung fibrinogen atau faktor pembekuan darah. Sedangkan sel-sel penyusun darah terdiri atas tiga baian besar yaitu sel darah merah atau eritrosit, sel darah putih atau leukosit dan sel-sel darah pembeku atau trombosit.
Sel darah merah jika dilihat satuan berwarna kuning tua pucat, tetapi bila dalam jumlah banyak terlihat warna merah. Warna merah ini disebabkan oleh hemoglobin (Hb) yang terkandung pada sitoplasmanya. Fungsi Hb adalah mengikat gas pernafasan (O2 dan CO2) dan mengantarkannya dari jaringan ke alat pernafasan atau sebaliknya. Molekul hemoglobin terdiri dari globin, apoprotein, dan empat gugus heme, suatu molekul organik dengan satu atom besi. Heme adalah kelompok prostetik yang memediasi pengikatan reversibel oksigen oleh hemoglobin. Globin adalah protein yang mengelilingi dan melindungi molekul heme. Globin terdiri dari 4 rantai polipeptida dengan konformasi dua rantai alfa dan dua rantai beta. Gugus heme mengandung ion fe atau besi. Pada hemoglobin setiap globin mengandung 4 heme.
KELARUTAN GAS DALAM DARAH
Pada pembahasan kali ini, kita lebih memfokuskan pada gas oksigen dan carbondioksida. Kedua gas ini dingkut oleh darah dengan bantuan hemoglobin yang terdapat pada sel darah merah yang merupakan sel-sel penyusun darah. Cara pengangkutan gas carbondioksida dan oksigen ini berbeda-beda. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya pada postingan tentang kelarutan gas dalam cairan, bahwa kelarutan gas dalam cairan itu ada dua proses yaitu secara fisika maupun secara kimia. Jadi cara gas oksigen dan carbondioksida diangkut dalam darah itu ada dua yaitu baik secara kimia maupun secara fisika.
Seperti kita ketahui bahwa plasma darah merupakan bagian dari darah yang mengandung air, protein dan garam-garam mineral, jadi jika dilihat plasma darah merupakan air yang polar. Oksigen dan carbondioksida merupakan gas yang non polar, oksigen akan sedikit larut dalam cairan plasma karena oksigen bersifat non polar sedangkan plama darah bersifat polar. Carbondioksida bersifat non polar juga, namun jika bereaksi dengan plasma darah, kelarutan carbondioksida lebih besar dibanding kelarutan oksigen terhadap plasma darah, ini karena carbondioksida akan bereaksi dengan air yang merupakan komponen utama plasma darah menghasilkan senyawa H2CO3 yang dapat dilihat dari persamaan reaksi dibawah ini :
CO2 + H2O = H2CO3
|
TRANSPORT OKSIGEN DALAM DARAH
Pengiriman 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.
Didalam tubuh kita, transport oksigen dan carbondioksida dilakukan oleh hemoglobin, dan dalam tubuh kita tidak boleh dalam bentuk gas, karena akan membentuk emboli udara, sehingga gas-gas tersebut harus berikatan dan beraeaksi dengan hemoglobin yang terdapat dalam sel darah merah. Transport oksigen dalam darah dilakukan melalui dua cara yaitu secara fisika dan secara kimiawi. Secara fisika, kelarutan oksigen dalam plasma darah sangat kecil dibandingkan kelarutan oksigen dalam plasma darah secara kimiawi. Dari plasma darah, oksigen akan berdifusi ke sel darah merah dan terikat secara kimiawi pada hemoglobin. Jadi oksigen akan mengalami peningkatan kelarutan jika di ikat atau bereaksi kimia dengan hemoglobin, sehingga oksigen berubah bentuk menjadi deoksihemoglobin. Hemoblobin mengikat oksigen di kapiler paru-paru kemudian dilepaskan kejaringan.
TRANSPORT CARBONDIOKSIDA DALAM DARAH
Sebelum kita membahas lebih lanjut pengangkutan carbondioksida, ada baiknya kita membahas dahulu bagaimana CO2 yang merupakan gas dapat larut dalam darah. Secara fisika, kelarutan gas carbondioksida lebih besar 24 kali dibandingkan kelarutan gas oksigen dalam darah secara fisika. Selain larut secara fisika dalam plasma, carbondioksida juga larut secara kimia dengan beraksi terhadap hemoglobin membentuk karbamino haemoglobin. Reaksi antara carbondioksida dengan Hb 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. Carbondioksida ini terikat dalam gugus amino yang terdapat pada 4 rantai polipeptida yang menyusun globin. Karena adanya karbonat anhidrase dalam eritrosit, karbondioksida yang berdifusi ke dalam sel darah merah akan segera dihidrasi bereaksi dengan air, menjadi H2CO3. H2CO3 tersebut nantinya akan dipecah menjadi H+ dan HCO3- . H+ akan bereaksi dengan hemoglobin menjadi HHb (asam hemoglobin), sementara ion bikarbonat akan berdifusi ke plasma.
Jadi secara kimia, carbondioksida larut kedalam sel darah merah diubah menjadi carbaminohemoglobin dan ion bicarbonat. Dieritrosit kelarutan carbondioksida lebih besar dibandingkan diplasma, karena ada keterlibatan enzim carbonate anhidrase yang ada pada eritrosit.
Persamaan reaksinya sebagai berikut :
CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3+H+
|
Dari persamaan diatas, kita dapat lihat adanya kehadiran ion H+ yang merupakan hasil ionisasi dari bikarbonat. Ion H+ ini tidak boleh dibiarkan begitu saja, karena dapat mengubah Ph, oleh karena itu ion H+ harus dinetralisir yang dilakukan oleh hemoglobin lagi, dimana ion H+ ditangkap oleh salah satu asam amino didalam Hb, salah satu asam amino inilah yang dapat digunakan sebagai buffer atau penyanggah keseimbangan asam basa dalam tubuh kita, jadi bukan hanya bikarbonat saja, melainkan Hb juga dapat bertindak sebagai buffer. Sedangkan bikarbonat akan berdifusi dari eritrosit ke plasma. Jadi H+akan bereaksi dengan hemoglobin sedangkan (HCO3-) akan berdifusi ke plasma darah. Kedudukan ion HCO3- di dalam eritrosit diganti oleh ion klor (Cl). Inilah yang disebut dengan pertukaran klorida
PERGESERAN KLORIDA
Selain menjaga kenetralan Ph, tubuh kita juga harus menjaga kenetralan listrik. Karena peningkatan konten H- 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-. Bicarbonat (HCO3-) yang terbentuk di eritrosit akan keluar menuju ke plasma, keluarnya bicarbonat ini menuju plasma darah ini akan digantikan dengan masuknya Cl- ke eritrosit. Cl- ini berasal dari garam-garam NaCl- yang berasal dari plasma darah (seperti dijelaskan sebelumnya, plasma darah mengandung garam-garam). Jadi bikarbonat keluar ke plasma digantikan dengan masuknya Cl- . Proses pertukaran tempat 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. 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
Akibat dari perpindahan itu mka dalam plasma ion bikarbonat dapat bertindak sebagai buffer, jadi sistim bufer dalam darah adalah HCO3- dan H2CO3, dimana jika kelebihan asam dinetralkan dengan HCO3- (basa konyugasi ), dan jika kelebihan basa dinetralkan dengan H2CO3(asam konyugasi).
PERAN HEMOGLOBIN
Hemoglobin 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 fe (besi).
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, bahwa hemoglobin terdiri dari gugus heme dan globin. Setiap gugus globin mengandung 4 macam heme, dan gugus heme berikatan dengan polipeptida melalui Fe (besi) yang terikat dengan residu histidin dari polipeptida. Fe berkorrdinasi dengan 6 buah ligan. Fe inilah yang mengikat oksigen, jadi oksigen itu di ikat oleh Hb, tepatnya pada Fe, dimana Fe ini diikat pada rantai heme, dan 4 rantai heme ini terikat dalam satu gugus globin (dari sini dapat dipahamin, bahwa jika kekeurangan zat besi, maka kita akan kekurangan pengikatan oksigen). Karena ada 4 rantai heme, maka ada 4 oksigen yang diikat oleh heme dengan bantuan besi (fe) yang terdapat pada heme. Jadi dalam satu hemoglobin ada 4 oksigen.
Setiap molekul Hb mengikat 4 molekul oksigen, sebab setiap atom Fe mengikat 1 molekul oksigen. ikatan oksigen dengan hemoglobin ini, disebut oksihemoglobin, oksihemoglobin terikat secara reversible, artinya bisa balik kembali ke bentuk oksigen dan hemoglobin, ini berdasarkan hukum aksi massa, ikatan reversible ini akan terjadi dalam keadaan dimana 4 molekul oksigen terikat pada Hb mengalami saturasi atau kejenuhan. Jadi 4 molekul oksigen akan diikat oleh Hb, selanjutnya jika mengalami saturasi atau kejenuhan 100%, maka akan dipecah lagi menjadi oksigen dan Hb.
Hb + O2 = Hb4O2
|
Hemoglobin mengangkut oksigen dari paru-paru ke jaringan, sedangkan Hb mengangkut CO2 dan H+ yang merupakan produk akhir respirasi dari jaringan ke paru-paru dan ginjal. Hemoglobin juga dapat mengikat carbondioksida, carbonmonoksida dan hidrogen (H+ ). Seperti dijelaskan sebelumnya,pengangkutan carbonmonoksida dapat terjadi baik secara fisik maupun kimia. Secara fisik kelarutannya sangat kecil sedangkan secara kimia, kelarutannya besar melalui reaksi dengan hemoglobin dan ion bicarbonat. Tetapi dalam pengikatan carbondioksida pada hemoglobin ini berbeda dengan pengikatan oksigen pada hemoglobin. Sesuai dengan penjelasan sebelumnya, oksigen terikat pada besi (fe) yang terdapat pada heme, sedangkan pengikatan carbondioksida terikat pada gugus amino pada tiap ujung terminal dari keempat rantai polipeptida yang terdapat pada globin dan hidrogen (H+ ) terikat dengan hemoglobin pada sistem buffernya, yaitu pada rantai beta globin dan pada dua residu lainnya rantai alfa. Sistem buffer pada hemoglobin terdapat pada unsur histidin yang terdapat pada gugus globin. Sehingga kesimpulannya, oksigen di ikat oleh gugus fe yang terdapat pada heme, sedangkan carbondiosida dan H+ terikat pada globinnya.
PERNAPASAN
Pada pernapasan terjadi pertukaran gas yaitu gas oksigen yang dihirup masuk di alveoli, lalu karena perbedaan tekanan antara alveoli dengan darah, dimana pada alveoli tekanan oksigen lebih tinggi dari tekanan oksigen di kapiler darah, sehingga terjadi difusi oksigen dari alveoli ke kapiler darah. Di darah selanjutnya oksigen akan melewati reaksi kimiawi bersama hemoglobin dan diangkut oleh hemoglobin ke jaringan yang membutuhkan, hemoglobin bersifat asam sedikit karena mengandung unsur H+ Ikatan Hb dengan oksigen ini akan melepaskan H+ . Selanjutnya berdasarkan hukum aksi massa adanya reaksi kesetimbangan dimana produk reaksi bisa pecah lagi menjadi reaktan, maka HbO2 yang telah terbentuk akan pecah lagi menjadi Hb dan O2. oksigen ini akan kemudian dilepaskan ke jaringan sehingga digunakan untuk metabolisme sel, inilah yang dikenal dengan respirasi seluler. Hasil dari respirasi seluler ini selain ATP, juga dihasilkan carbondioksida. Sedangkan H+ yang dilepaskan akibat ikatan Hb dengan oksigen tadi, akan diikat oleh bicarbonat yang terbentuk diplasma seperti yang telah dijelaskan diatas.
|
|
Kita lanjutkan pada pernapasan seluler diatas, bahwa hasilnya adalah carbondioksida dan ATP, dimana ATP akan dipakai oleh tubuh sebagai sumber energi, sedangkan carbondioksida akan dikeluarkan. Gas carbondioksida yang dihasilkan dari pernapasan seluler ini akan membuat konsentrasi gas CO2 di jaringan tinggi, konsentrasi gas yang tinggi ini akan menyebabkan difusi CO2 dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah, Jadi CO2 akan berdifusi dari jaringan menuju ke darah yang konsentrasi CO2 nya rendah. selanjutnya akan terjadi penggangkutan carbondioksida. Karena adanya karbonat anhidrase dalam eritrosit, karbondioksida yang berdifusi ke dalam sel darah merah akan segera dihidrasi bereaksi dengan air, menjadi H2CO3. H2CO3 tersebut nantinya akan dipecah menjadi H+ dan HCO3- . H+ akan bereaksi dengan hemoglobin menjadi HHb (asam hemoglobin), sementara ion bikarbonat akan berdifusi ke plasma.
Ion H+ bersifat racun, oleh sebab itu ion ini segera diikat Hb, sedangkan ion HCO3- meninggalkan eritrosit masuk ke plasma darah. Kedudukan ion HCO3- dalam eritrosit diganti oleh ion Klorida (ingat pembahasan pergeseran klorida diatas).
Apabila pada suatu saat terjadi perbedaan keseimbangan asam basa, yaitu dimana kadar HCO3- yang berpindah ke plasma menjadi tinggi, maka harus ada penetralan (buffer) sebab HCO3- bersifat basa, sehingga seperti dijelaskan diatas bahwa HHb (asam hemoglobin) hasil dari ikatan Ion H+ yang bersifat asam dengan Hb, juga merupakan larutan penyangga, dimana H+ akan keluar dari HHb, selanjutnya berikatan dengan HCO3- yang telarut dalam plasma darah membentuk H2CO3 kembali, juga dengan bantuan karbonat anhidrase. H2CO3 lalu terurai kembali menjadi CO2 dan H2O, kemudian akan dikeluarkan dari dalam paru-paru. Sementara itu Hb yang telah melepaskan H+ akan mengikat kembali oksigen di alveolus.
Akibat menumpuknya CO2 dikapiler paru-paru, maka akan terjadi perbedaan konsentrasi antara CO2 di pembuluh darah paru dengan konsentrasi CO2 di alveoli, perbedaan konsentrasi ini akan menyebabkan difusi CO2 dari kapiler paru-paru menuju ke alveoli. Dari alveoli inilah selanjutnya dikeluarkan lewat ekspirasi.
KESIMPULAN
Dalam tubuh manusia ada dua gas yang berperan yaitu oksigen dan carbondioksida, karena keduanya berbentuk gas, maka keduanya haruslah larut dalam cairan, karena darah mengandung cairan. Pada penjelasan diatas, dijelaskan bagaimana gas bisa larut dalam darah dan kemudian diangkut oleh hemoglobin.
Kelarutan gas karbon dioksida dan oksigen dapat terjadi melalui dua mekanisme yaitu secara fisika maupun secara kimiawi. Kelarutan suatu gas secara fisika akan lebih kecil dibandingkan kelarutan suatu gas secara kimiawi. Adanya perbedaan kepolaran suatu senyawa gas dengan cairan akan menentukan banyak tidaknya kelarutan gas dalam cairan. Pada oksigen dan karbondioksisa dapat kita lihat, bahwa oksigen dan karbondioksida sama-sama bersifat non polar sedangkan plasma darah bersifat polar. sesuai dengan sifat kimiawi, apabila suatu senyawa polar berikatan dengan senyawa polar yang lainnya, maka kelarutan keduanya akan makin besar, begitupun sebaliknya. Walaupun carbondioksida bersifat non polar tetapi kelarutan carbondioksida terhadap darah lebih tinggi dibandingkan kelarutan oksigen terhadap darah, ini karena pada darah ada komponen plasma darah yang mengandung selain air, dan air ini akan bereaksi kimia dengan carbondioksida membentuk bicarbonat atau H2CO3.
Setelah gas tersebut larut dalam plasma, kedua gas ini akan terikat oleh sel darah merah dalam hal ini hemoglobin yang terdapat pada sel darah merah. Pada hemoglobin, oksigen akan terikat pada Fe yang terdapat pada 4 rantai heme, sehingga 1 molekul Hb, mengikat 4 molekul oksigen, sedangkan carbondioksida terikat pada hemoglobin di bagian gugus globinnya. Terikatnya oksigen pada hemoglobin akan menyebabkan timbulnya suatu reaksi kimia, sehingga kelarutan oksigen akan menjadi besar, namun tidak juga lebih besar dari kelarutan carbonmonoksida yang bereaksi dengan Hb juga. Kelarutan carbondioksida pada hemoglobin ini lebih besar dari pada kelarutan oksigen secara kimia pada hemoglobin, karena selain carbondioksida bereaksi dengan Hb menjadi carbaminohaemoglobin, carbondioksida juga bereaksi dengan air yang terdapat dalam eritrosit, juga karena bantuan enzim carbonate anhidrase. Sehingga kelarutan carbondioksida di eritrosit lebih tinggi 10000 X lipat dibanding kelarutan carbondioksida dalam plasma. Selanjutnya barulah kita masuk ke proses pernapasan.