Difusi Udara, Bohr Shift, dan Transportasi CO2

Difusi udara adalah proses perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah melalui udara. Difusi udara terjadi secara alami di atmosfer dan juga di dalam tubuh manusia, khususnya pada sistem pernapasan. Difusi udara memainkan peran penting dalam transportasi oksigen (O2) dan karbon dioksida (CO2) antara alveolus paru-paru dan darah kapiler, serta antara darah dan jaringan tubuh. Transportasi O2 dan CO2 ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah Bohr shift.

Bohr shift adalah fenomena pergeseran kurva disosiasi hemoglobin ke kanan atau ke kiri akibat perubahan pH darah. Kurva disosiasi hemoglobin menggambarkan hubungan antara tekanan parsial O2 (PO2) dan afinitas hemoglobin terhadap O2. Jika kurva bergeser ke kanan, berarti afinitas hemoglobin terhadap O2 menurun, sehingga lebih mudah melepaskan O2 ke jaringan. Jika kurva bergeser ke kiri, berarti afinitas hemoglobin terhadap O2 meningkat, sehingga lebih sulit melepaskan O2 ke jaringan.

Bohr shift dipengaruhi oleh konsentrasi CO2 dalam darah. CO2 dapat bereaksi dengan air membentuk asam karbonat (H2CO3), yang kemudian berdisosiasi menjadi ion bikarbonat (HCO3-) dan ion hidrogen (H+). Ion hidrogen ini menurunkan pH darah, yang menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kanan. Sebaliknya, jika CO2 berkurang dalam darah, pH darah meningkat, yang menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kiri.

Dalam artikel ini, akan dibahas lebih lanjut tentang mekanisme difusi udara, Bohr shift, dan transportasi CO2 dalam tubuh manusia.

Difusi Udara

Difusi udara adalah proses perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah melalui udara. Difusi udara terjadi karena adanya gradien konsentrasi atau tekanan parsial antara dua tempat yang berbeda. Tekanan parsial adalah tekanan yang diberikan oleh gas tertentu dalam campuran gas. Hukum Fick menggambarkan laju difusi udara sebagai berikut¹:

Dimana J adalah laju difusi udara (mol/m^2 s), D adalah koefisien difusi udara (m^2/s), C adalah konsentrasi gas (mol/m^3), dan x adalah jarak tempat perpindahan gas (m). Tanda negatif menunjukkan bahwa arah difusi berlawanan dengan arah gradien konsentrasi.

Difusi udara terjadi secara alami di atmosfer dan juga di dalam tubuh manusia, khususnya pada sistem pernapasan. Difusi udara memainkan peran penting dalam transportasi oksigen (O2) dan karbon dioksida (CO2) antara alveolus paru-paru dan darah kapiler, serta antara darah dan jaringan tubuh.

Alveolus adalah struktur berbentuk kantong yang terdapat di ujung saluran pernapasan. Alveolus memiliki dinding tipis yang dilapisi oleh membran basah dan dikelilingi oleh jaringan kapiler. Alveolus merupakan tempat pertukaran gas antara udara dan darah.

Darah kapiler adalah pembuluh darah terkecil yang menghubungkan arteri dan vena. Darah kapiler memiliki dinding tipis yang terdiri dari satu lapis sel endotelial. Darah kapiler merupakan tempat pertukaran gas antara darah dan jaringan tubuh.

Jaringan tubuh adalah kelompok sel yang memiliki fungsi tertentu dalam tubuh. Jaringan tubuh membutuhkan O2 untuk melakukan respirasi seluler, yaitu proses pembentukan energi dari molekul nutrien dengan bantuan O2. Jaringan tubuh juga menghasilkan CO2 sebagai produk sampingan dari respirasi seluler.

Difusi udara antara alveolus dan darah kapiler terjadi sebagai berikut²:

• Udara yang dihirup melalui hidung atau mulut mengandung O2 dengan tekanan parsial sekitar 160 mmHg dan CO2 dengan tekanan parsial sekitar 0,3 mmHg.
• Udara tersebut masuk ke alveolus melalui bronkus dan bronkiolus. Di dalam alveolus, sebagian O2 berdifusi ke darah kapiler, sedangkan sebagian CO2 berdifusi dari darah kapiler ke alveolus. Hal ini menyebabkan tekanan parsial O2 di alveolus menurun menjadi sekitar 104 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di alveolus meningkat menjadi sekitar 40 mmHg.
• Darah kapiler yang mengalir ke alveolus berasal dari vena pulmonalis, yang membawa darah kaya CO2 dan miskin O2 dari jaringan tubuh. Tekanan parsial O2 di darah kapiler sekitar 40 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di darah kapiler sekitar 45 mmHg.
• Karena adanya gradien tekanan parsial, O2 berdifusi dari alveolus ke darah kapiler, sedangkan CO2 berdifusi dari darah kapiler ke alveolus. Hal ini menyebabkan tekanan parsial O2 di darah kapiler meningkat menjadi sekitar 100 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di darah kapiler menurun menjadi sekitar 40 mmHg.
• Darah kapiler yang kaya O2 dan miskin CO2 kemudian mengalir ke arteri pulmonalis, yang membawa darah ke jantung. Jantung kemudian memompa darah tersebut ke seluruh tubuh melalui arteri sistemik.

Difusi udara antara darah kapiler dan jaringan tubuh terjadi sebagai berikut³:

• Darah yang mengalir ke jaringan tubuh melalui arteri sistemik mengandung O2 dengan tekanan parsial sekitar 100 mmHg dan CO2 dengan tekanan parsial sekitar 40 mmHg.
• Darah tersebut masuk ke kapiler jaringan, yang memiliki dinding tipis yang memungkinkan pertukaran gas antara darah dan jaringan. Di dalam kapiler jaringan, sebagian O2 berdifusi ke jaringan tubuh, sedangkan sebagian CO2 berdifusi dari jaringan tubuh ke darah. Hal ini menyebabkan tekanan parsial O2 di darah menurun menjadi sekitar 40 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di darah meningkat menjadi sekitar 45 mmHg.
• Jaringan tubuh yang menerima O2 dari darah menggunakan O2 tersebut untuk melakukan respirasi seluler, yaitu proses pembentukan energi dari molekul nutrien dengan bantuan O2. Jaringan tubuh juga menghasilkan CO2 sebagai produk sampingan dari respirasi seluler. Tekanan parsial O2 di jaringan tubuh sekitar 40 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di jaringan tubuh sekitar 45 mmHg.
• Karena adanya gradien tekanan parsial, O2 berdifusi dari darah ke jaringan tubuh, sedangkan CO2 berdifusi dari jaringan tubuh ke darah. Hal ini menyebabkan tekanan parsial O2 di jaringan tubuh menurun menjadi sekitar 20 mmHg, sedangkan tekanan parsial CO2 di jaringan tubuh meningkat menjadi sekitar 46 mmHg.
• Darah yang miskin O2 dan kaya CO2 kemudian mengalir ke vena sistemik, yang membawa darah kembali ke jantung. Jantung kemudian memompa darah tersebut ke paru-paru melalui arteri pulmonalis.

Bohr Shift

Bohr shift adalah fenomena pergeseran kurva disosiasi hemoglobin ke kanan atau ke kiri akibat perubahan pH darah. Kurva disosiasi hemoglobin menggambarkan hubungan antara tekanan parsial O2 (PO2) dan afinitas hemoglobin terhadap O2. Hemoglobin adalah protein yang terdapat di dalam sel darah merah, yang berfungsi sebagai pengangkut O2 dan CO2 dalam darah.

Jika kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kanan, berarti afinitas hemoglobin terhadap O2 menurun, sehingga lebih mudah melepaskan O2 ke jaringan. Jika kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kiri, berarti afinitas hemoglobin terhadap O2 meningkat, sehingga lebih sulit melepaskan O2 ke jaringan.

Bohr shift dipengaruhi oleh konsentrasi CO2 dalam darah. CO2 dapat bereaksi dengan air membentuk asam karbonat (H2CO3), yang kemudian berdisosiasi menjadi ion bikarbonat (HCO3-) dan ion hidrogen (H+). Ion hidrogen ini menurunkan pH darah, yang menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kanan. Sebaliknya, jika CO2 berkurang dalam darah, pH darah meningkat, yang menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kiri.

Bohr shift dapat dijelaskan dengan menggunakan persamaan reaksi kimia sebagai berikut:

Dimana HbO2 adalah hemoglobin yang terikat dengan O2, dan HbH+ adalah hemoglobin yang terikat dengan H+. Reaksi pertama menunjukkan bahwa CO2 dapat bereaksi dengan air membentuk asam karbonat, yang kemudian berdisosiasi menjadi ion bikarbonat dan ion hidrogen. Reaksi kedua menunjukkan bahwa ion hidrogen dapat bereaksi dengan hemoglobin yang terikat dengan O2, menghasilkan hemoglobin yang terikat dengan H+ dan melepaskan O2.

Jika konsentrasi CO2 dalam darah meningkat, maka reaksi pertama akan bergeser ke kanan, menghasilkan lebih banyak ion hidrogen. Ion hidrogen ini akan menurunkan pH darah, dan juga mendorong reaksi kedua untuk bergeser ke kanan, menghasilkan lebih banyak hemoglobin yang terikat dengan H+ dan melepaskan O2. Hal ini menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kanan, menunjukkan penurunan afinitas hemoglobin terhadap O2.

Jika konsentrasi CO2 dalam darah menurun, maka reaksi pertama akan bergeser ke kiri, menghasilkan lebih sedikit ion hidrogen. Ion hidrogen ini akan meningkatkan pH darah, dan juga mendorong reaksi kedua untuk bergeser ke kiri, menghasilkan lebih sedikit hemoglobin yang terikat dengan H+ dan mengikat O2. Hal ini menyebabkan kurva disosiasi hemoglobin bergeser ke kiri, menunjukkan peningkatan afinitas hemoglobin terhadap O2.

Bohr shift memiliki efek fisiologis yang penting dalam transportasi O2 dan CO2 dalam tubuh manusia. Bohr shift memungkinkan hemoglobin untuk melepaskan lebih banyak O2 di jaringan tubuh yang membutuhkan energi, seperti otot-otot yang sedang berkontraksi. Di sisi lain, Bohr shift memungkinkan hemoglobin untuk mengikat lebih banyak O2 di paru-paru, di mana tekanan parsial O2 tinggi dan tekanan parsial CO2 rendah.

Transportasi CO2

Transportasi CO2 adalah proses pengangkutan CO2 dari jaringan tubuh ke paru-paru melalui darah. Transportasi CO2 sangat penting untuk menjaga keseimbangan asam-basa dalam tubuh dan mencegah asidosis respiratorik, yaitu kondisi di mana pH darah terlalu rendah akibat penumpukan CO2.

Transportasi CO2 dalam darah dapat terjadi melalui tiga mekanisme, yaitu:

• Difusi langsung: sekitar 7% dari CO2 yang dihasilkan oleh jaringan tubuh berdifusi langsung ke dalam plasma darah dan berada dalam bentuk gas CO2. CO2 ini kemudian berdifusi keluar dari plasma darah ke alveolus paru-paru, di mana tekanan parsial CO2 lebih rendah.
• Ikatan dengan hemoglobin: sekitar 23% dari CO2 yang dihasilkan oleh jaringan tubuh berikatan dengan hemoglobin yang terdapat di dalam sel darah merah. CO2 ini berikatan dengan gugus amino terminal dari rantai polipeptida hemoglobin, membentuk karbaminohemoglobin (HbCO2). Karbaminohemoglobin ini kemudian melepaskan CO2 di alveolus paru-paru, di mana tekanan parsial CO2 lebih rendah.
• Konversi menjadi bikarbonat: sekitar 70% dari CO2 yang dihasilkan oleh jaringan tubuh dikonversi menjadi ion bikarbonat (HCO3-) melalui reaksi kimia yang melibatkan enzim karbonat anhidrase (CA) yang terdapat di dalam sel darah merah. Reaksi kimia ini adalah sebagai berikut:

Ion bikarbonat ini kemudian keluar dari sel darah merah ke dalam plasma darah melalui pertukaran dengan ion klorida (Cl-), yang disebut sebagai efek klorida. Ion hidrogen yang dihasilkan dari reaksi tersebut berikatan dengan hemoglobin, membentuk hemoglobin asam (HbH+), yang mencegah penurunan pH darah. Di alveolus paru-paru, reaksi kimia ini berbalik, menghasilkan CO2 dan air, yang kemudian berdifusi keluar dari darah ke udara.

Kesimpulan

Difusi udara, Bohr shift, dan transportasi CO2 adalah tiga konsep yang saling berkaitan dalam sistem pernapasan manusia. Difusi udara adalah proses perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah melalui udara, yang memungkinkan pertukaran O2 dan CO2 antara alveolus paru-paru dan darah kapiler, serta antara darah dan jaringan tubuh. Bohr shift adalah fenomena pergeseran kurva disosiasi hemoglobin ke kanan atau ke kiri akibat perubahan pH darah, yang mempengaruhi afinitas hemoglobin terhadap O2. Transportasi CO2 adalah proses pengangkutan CO2 dari jaringan tubuh ke paru-paru melalui darah, yang melibatkan tiga mekanisme, yaitu difusi langsung, ikatan dengan hemoglobin, dan konversi menjadi bikarbonat.