Tato kapitola se nejvíce vztahuje k oddílu F8(ii) z osnov CICM Primary Syllabus 2017, který očekává, že uchazeči o zkoušku budou schopni „popsat přenos oxidu uhličitého v krvi, včetně Haldaneova efektu a chloridového posunu“. Ačkoli nikdo nikdy v CICM SAQ nepoložil otázku s použitím věty „co je to Haldaneův efekt?“, je to zjevně spravedlivá otázka a lidé by měli očekávat, že to budou u této zkoušky vědět. Stejně jako většina příčetných lidí, ani Haldane o této věci nemluvil jako o „mém efektu“, ačkoli tak zjevně mohl učinit s minimální falešnou skromností, protože ve skutečnosti byla k experimentu použita Haldanova vlastní defibrinovaná krev.

Shrnuto:

Tebboul & Scheeren (2017) nabízejí bez příkras odtučněné vysvětlení a jejich článek je k dispozici zdarma. Pokud někdo touží po tuku a kudrlinkách, může přejít na tuto vynikající recenzi od Itira Tyuma (1984). Ačkoli to není nezbytné, lze si také přečíst původní článek J. S. Haldana, kde byl třetím autorem (Christiansen et al, 1914).

Definice Haldaneova efektu

Formální definice zde chybí, ale naštěstí prakticky každý autor, který kdy na toto téma psal, cítil potřebu uvést svůj článek několika úvodními slovy, v nichž se nevyhnutelně pokusil tento jev definovat nebo alespoň tak jadrně shrnout, aby byl pokryt jedinou větou. Reprezentativní definice by tedy mohla znít:

„Haldanův efekt je fyzikálně-chemický jev, který popisuje zvýšenou schopnost krve přenášet CO2 za podmínek snížené saturace hemoglobinu.“

Nebo něco podobného. Ve skutečnosti jsou Haldaneův efekt a Bohrův efekt různými projevy téhož molekulárního mechanismu, který poněkud nesouvisí s CO2 (ten je shodou okolností právě ligandem, který je předmětem zájmu respirační fyziologie). Ve skutečnosti existuje řada dalších molekulárních aktérů (protony, anorganické ionty, jako je chlorid, organické fosfáty, jako je 2,3-DPG), které se vážou na deoxygenovaný hemoglobin s vyšší afinitou. Současně působení vazby těchto různých molekul má tendenci stabilizovat deoxygenovaný T-stav molekuly hemoglobinu a snižovat jeho afinitu ke kyslíku (což je v podstatě Bohrův efekt). Pokud bychom tedy byli věrni faktům, museli bychom připustit, že oba efekty by ve skutečnosti měly mít stejnou definici:

„Bohrův-Haldanův efekt je fyzikálně-chemický jev, který popisuje změny afinity k vazbě nekyslíkových ligandů hemoglobinem, jež jsou důsledkem konformních změn vyvolaných v tetrameru hemoglobinu vazbou kyslíku na hem.“

To se však zrovna nehodí do krámu. Ani nikoho z populace zkoušejících CICM by nijak zvlášť nerozhodilo, kdyby dal přednost dříve zmíněné definici zaměřené na karboxy. Haldaneův a Bohrův efekt jsou ve vysokoškolské literatuře obecně odděleny. Také historicky studijní příručky zaměřené na zkoušky, jako je Brandisova The Physiology Viva, mají tendenci pojednávat o nich jako o samostatných jevech, pravděpodobně proto, že jejich klinický význam je poněkud odlišný. V každém případě by se asi udělalo dobře, kdyby se jen citovalo Nunnovo:

“ rozdíl v množství přenášeného oxidu uhličitého při konstantním PCO2 v okysličené a odkysličené krvi“

Haldaneův efekt způsobený přenášením CO2 odkysličeným hemoglobinem

O tom, že se CO2 může vázat na aminokyseliny za vzniku karbaminokyselin a karbamátových konjugovaných bází, se již diskutovalo jinde. Otázkou je, čím je hemoglobin červených krvinek tak zvláštní a jak se to změní, když je hemoglobin okysličen?

Krátce řečeno:

• CO2 se váže na nenabitý N-konec α-aminoskupiny na α i β podjednotkách hemoglobinu
• Okysličení atomu železa hemu v molekule hemoglobinu je heterotropním alosterickým modulátorem těchto vazebných míst CO2, protože vnáší do tetrameru hemoglobinu konformační změnu (pozitivní kooperativita)
• V důsledku této alosterické modulace, CO2 má vyšší afinitu k deoxygenovanému stavu T než ke stavu R
• Tento mechanismus přispívá 70 % k celkovému transportu CO2 v důsledku Haldaneova efektu (Roughton, 1964), a tedy asi 10-15 % k celkovému transportu CO2 v krvi.

Pro práci ve státní správě to asi stačí, ale pokud se někdo chce opravdu ponořit do bažin fyziologické drobnokresby, jako výborný výchozí bod mu poslouží článek Austena Riggse z roku 1988. Jak bylo uvedeno výše, „efekt“ se neomezuje pouze na CO2, ale jedná se o jev, který zahrnuje také promiskuitní vazbu hemoglobinu s různými jinými druhy iontů. Například odkysličený hemoglobin je obrovskou děvkou pro protony. Podle Nunna (str. 155 8. vydání) se při úplném odkysličení objemu krve (až na SaO2 0 %) nasaje tolik protonů, že se pH objemu zvýší o 0,03 %. To je dobrý způsob, jak přejít k další části:

Haldanův efekt v důsledku zvýšeného pufrování hemoglobinem

Znovu shrnuto:

• Každá molekula tetrameru hemoglobinu má 38 nabitých histidinových zbytků, z nichž čtyři jsou připojeny k hemové skupině.
• Disociační konstanta pro každý z těchto histidinových zbytků je ovlivněna okysličením hemu
• V důsledku toho, když hem ztrácí kyslík, se tetramer hemoglobinu jako celek stává zásaditějším.
• Tím se z roztoku odstraňují vodíkové ionty (tj. pufruje roztok)
• Tento vliv na rovnováhu hydrogenuhličitanu a kyseliny uhličité zvýhodňuje přeměnu kyseliny uhličité na hydrogenuhličitan
• Ztráta kyslíku z tetrameru hemoglobinu pufrováním tedy zvyšuje množství CO2 přenášeného ve formě hydrogenuhličitanu

To se pravděpodobně podílí pouze asi 30 % na Haldanově efektu. Přispívá také ke změně pH ve venózní krvi. Venózní krev by za normálních okolností byla poměrně kyselá kvůli přítomnosti dodatečného CO2 (o 6 mm Hg více než arteriální krev), ale pufrovací účinek odkysličeného hemoglobinu obnovuje její pH blíže k normálu natolik, že někteří tvrdí, že venózní vzorky mohou bezpečně nahradit arteriální pro měření pH u pacientů s ED.

Důsledky Haldaneova efektu pro celkový přenos CO2

Znovu je třeba se podívat na tento diagram disociační křivky oxidu uhličitého.

Všimněte si, že existuje rozdíl mezi arteriálním a venózním obsahem karbamátu. Tento rozdíl však zůstává poměrně stabilní podél kontinua od 10 mmHg do 80 mmHg CO2. Na skutečném PaCO2 jako by nezáleželo. Ve skutečnosti tomu tak je: rozdíl mezi arteriálním a venózním nosičem karbamátu CO2 je způsoben čistě rozdílem v úrovni okysličení hemoglobinu. Občas se očekává, že na těchto křivkách identifikujeme „arteriální bod“ a „venózní bod“, které ilustrují, jak Haldaneův efekt přispívá k (malému) rozdílu v celkovém obsahu CO2 mezi arteriální a smíšenou žilní krví. Stručně řečeno, i když je celkový rozdíl malý, Haldaneův efekt je zodpovědný za více než třetinu z něj.

Podívejme se na ně trochu podrobněji:

Tento diagram, běžný mezi učebnicemi, znázorňuje, že pokud se zvýší nasycení krve kyslíkem, zvýší se i parciální tlak CO2, protože se z vázaných míst uvolní více CO2. Konkrétně, pokud by se plně okysličila smíšená žilní krev (SpO2 = 75 %), PaCO2 by se zvýšil ze 40 na 46 mmHg. Současně by celkový obsah CO2 zůstal stejný. Pokud bychom tuto linii prodloužili dále doprava, zjistíme, že pokud by se smíšená žilní krev nějakým způsobem plně okysličila, aniž by se změnil obsah CO2, PaCO2 by se zvýšil ze 46 mmHg na přibližně 55 mmHg.

Pokud bychom dávali pozor, všimli bychom si, že tento jev, pokud by měl užitečně přispívat k dýchání, by se měl odehrávat v nepatrných časových úsecích, zhruba v souladu s dobou, kterou červené krvinky stráví v kapiláře. Pokud by to trvalo déle, vznikl by pouze arteriální oběh obohacený o oxid uhličitý. Naštěstí, jak ukazuje lehce kolorovaný graf od Klockeho (1973), celý proces probíhá v desetinách sekundy:

.