BIOSGD – Learn Biological Science with Santigopal Das

গ্যাস বিনিময় প্রক্রিয়া

শরীরে অক্সিজেন ও কার্বন ডাইঅক্সাইডের আদান-প্রদান

1

ফুসফুসের অ্যালভিওলাই

বাতাস → রক্ত

O₂

⇄

রক্ত → বাতাস

CO₂

• অ্যালভিওলাই হলো ফুসফুসের বায়ুথলি
• অতি পাতলা রেসপিরেটরি মেমব্রেনের মাধ্যমে গ্যাস বিনিময়
• অক্সিজেন হিমোগ্লোবিনের সাথে বাঁধা পড়ে
• কার্বন ডাইঅক্সাইড প্লাজমায় দ্রবীভূত হয়

2

কোষ ও কৈশিক জালিকা

রক্ত → কোষ

O₂

⇄

কোষ → রক্ত

CO₂

• কৈশিক জালিকা হলো অতিসূক্ষ্ম রক্তনালী
• কোষের মেটাবলিজমের জন্য O₂ সরবরাহ
• কোষ থেকে উৎপন্ন CO₂ রক্তে গৃহীত
• CO₂ প্রধানত বাইকার্বনেট আকারে পরিবাহিত

গ্যাস বিনিময়ের তুলনামূলক বৈশিষ্ট্য

বিষয়	ফুসফুসের অ্যালভিওলাই	কোষ ও কৈশিক জালিকা
অবস্থান	ফুসফুসে	সমস্ত টিস্যুতে
O₂ চলাচল	বাতাস → রক্ত	রক্ত → কোষ
CO₂ চলাচল	রক্ত → বাতাস	কোষ → রক্ত
গ্যাস বাহক	হিমোগ্লোবিন (O₂), প্লাজমা (CO₂)	হিমোগ্লোবিন (O₂), বাইকার্বনেট (CO₂)

🫁 Respiratory Membrane

গ্যাস বিনিময়ের জন্য অতি পাতলা ঝিল্লি

এটি হলো alveoli (বায়ুথলি) এবং pulmonary capillaries (রক্তজালিকা)-এর মাঝে অবস্থিত একটি অতি পাতলা ঝিল্লি, যার মাধ্যমে O₂ এবং CO₂ গ্যাসের বিনিময় (gas exchange) ঘটে।

🧱 গঠন: মোট ৫টি স্তর (Layers)

এই স্তরগুলো একসাথে মিলে প্রায় ০.২ µm (micrometer) পুরু হয়, অর্থাৎ অত্যন্ত পাতলা। নিচে প্রতিটি স্তরের কাজ ও অবস্থান ব্যাখ্যা করা হলো:

1️⃣ Alveolar epithelium

• এটি Alveoli-এর ভেতরের দেয়াল গঠন করে
• পাতলা squamous epithelial cell (Type I pneumocyte) দ্বারা তৈরি
• মাঝে মাঝে থাকে Type II pneumocyte, যারা surfactant তৈরি করে

✅ ভূমিকা:

গ্যাস প্রথমে এখান দিয়ে diffuse করে

2️⃣ Epithelial basement membrane

• এটি হলো alveolar epithelium-এর নিচের পাতলা প্রোটিন-ভিত্তিক স্তর
• এটি epithelium কে স্থিতিশীলতা দেয়
• গ্যাস পারাপারে সহায়তা করে

✅ ভূমিকা:

একধরনের সেতুবন্ধন হিসেবে কাজ করে

3️⃣ Thin interstitial space

• এটি দুই basement membrane-এর মাঝের অত্যন্ত সরু ফাঁকা জায়গা
• এতে কিছু connective tissue ও interstitial fluid থাকে

✅ ভূমিকা:

supportive medium, যেখানে গ্যাস খুব অল্প সময়ের জন্য থেকে যায়

4️⃣ Capillary basement membrane

• এটি ক্যাপিলারির এন্ডোথেলিয়াম এর নিচে থাকে
• অনেক ক্ষেত্রে epithelial ও capillary basement membrane merge হয়ে একটি হয়

✅ ভূমিকা:

capillary দেয়ালকে শক্তি ও স্থায়িত্ব দেয়

5️⃣ Capillary endothelial membrane

• এটি pulmonary capillaries-এর অভ্যন্তরীণ স্তর
• Simple squamous endothelial cell দিয়ে তৈরি

✅ ভূমিকা:

গ্যাস এখান দিয়ে রক্তে diffuse হয় বা রক্ত থেকে alveoli-তে যায়

📌 সংক্ষেপে গঠন (Layer-by-layer):

1. Alveolar epithelium
2. Epithelial basement membrane
3. Thin interstitial space
4. Capillary basement membrane
5. Capillary endothelium

🎯 গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য:

বৈশিষ্ট্য	কারণ	উপকারিতা
পাতলা (0.2–0.5 µm)	গ্যাস দ্রুত পার হতে পারে	দ্রুত diffusion
প্রচুর Surface Area (~70 m²)	প্রচুর alveoli	বেশি গ্যাস বিনিময়
ভেজা (moist)	গ্যাস দ্রবীভূত হয়	diffusion সহজ হয়

 Respiratory Membrane (0.2 mm thick) -

Alveolar epithelium + Epithelial basement membrane + Thin interstitial space + Capillary basement membrane + Capillary endothelial membrane

রক্তে গ্যাস পরিবহন

অক্সিজেন ও কার্বন ডাইঅক্সাইডের পরিবহন প্রক্রিয়া

🩸 রক্তের ভূমিকা

রক্ত হল অক্সিজেন (O₂) এবং কার্বন ডাইঅক্সাইড (CO₂) পরিবহনের প্রধান মাধ্যম। নিচে এই গ্যাসগুলো কিভাবে পরিবাহিত হয় তা দেখানো হলো:

কার্বন ডাইঅক্সাইডের পরিবহন

1

বাইকার্বনেট আয়ন (HCO₃⁻)

সবচেয়ে বেশি পরিমাণে (প্রায় 70%)

70%

2

হিমোগ্লোবিন

কার্বামিনো হিমোগ্লোবিন হিসেবে

20-25%

3

প্লাজমায় দ্রবীভূত

সরাসরি দ্রবীভূত অবস্থায়

7%

অক্সিজেনের পরিবহন

1

হিমোগ্লোবিন

অক্সিহিমোগ্লোবিন হিসেবে

97%

2

প্লাজমায় দ্রবীভূত

সরাসরি দ্রবীভূত অবস্থায়

3%

হিমোগ্লোবিনের বিশেষ বৈশিষ্ট্য:

• প্রতি হিমোগ্লোবিনে ৪টি O₂ অণু বাঁধতে পারে
• Cooperative binding - প্রথম অণু বাঁধলে পরেরগুলো বাঁধা সহজ হয়
• PO₂ এর উপর নির্ভর করে O₂ মুক্ত করে

গ্যাস পরিবহনের তুলনামূলক তথ্য

বিষয়	অক্সিজেন	কার্বন ডাইঅক্সাইড
প্রধান বাহক	হিমোগ্লোবিন (97%)	বাইকার্বনেট (70%)
দ্রবীভূত অবস্থায়	3%	7%
রাসায়নিক অবস্থা	অক্সিহিমোগ্লোবিন	কার্বামিনো যৌগ ও বাইকার্বনেট
বাহনের দিক	ফুসফুস → টিস্যু	টিস্যু → ফুসফুস

হিমোগ্লোবিন

অক্সিজেন পরিবহনের অণুবীক্ষণিক কারখানা

মেরুদণ্ডী প্রাণীদের রক্তে অক্সিজেন বহনকারী শ্বাসরঞ্জক

হিমোগ্লোবিন হলো একটি জটিল প্রোটিন অণু যা রক্তকণিকায় (RBC) থাকে এবং ফুসফুস থেকে টিস্যুতে অক্সিজেন পরিবহন করে।

গঠন

একটি হিমোগ্লোবিন অণু দুটি প্রধান উপাদান দ্বারা গঠিত:

হিম গ্রুপ

হিমোগ্লোবিনের অক্সিজেন বাঁধার কার্যকরী অংশ:

পরফিরিন রিং গঠন:

• ৪টি পাইরোল রিং (C₄H₄NH)
• মিথাইন ব্রিজ (=CH-) দ্বারা সংযুক্ত
• কেন্দ্রে Fe²⁺ আয়ন

Fe²⁺

লৌহ আয়ন

অক্সিজেন বাঁধার স্থান

গ্লোবিন প্রোটিন

হিম গ্রুপকে ধারণকারী প্রোটিন অংশ:

• ৪টি পলিপেপটাইড চেইন (2α + 2β)
• প্রতিটি চেইনে একটি হিম গ্রুপ
• কোয়াটারনারি স্ট্রাকচার

মোট অক্সিজেন বাঁধার ক্ষমতা:

4 O₂ অণু/হিমোগ্লোবিন

পরফিরিন রিং এর বিস্তারিত গঠন

পাইরোল রিং

• ৫-সদস্যবিশিষ্ট রিং
• 4 কার্বন + 1 নাইট্রোজেন
• অসম বন্টিত ইলেকট্রন

মিথাইন ব্রিজ

• -CH= গ্রুপ
• পাইরোল রিংগুলিকে যুক্ত করে
• সমতলীয় গঠন তৈরি করে

লৌহ আয়নের (Fe²⁺) বিশেষ বৈশিষ্ট্য:

• অক্টাহেড্রাল জ্যামিতি
• ৬টি সমন্বয় সাইট (৪টি নাইট্রোজেন, ১টি হিস্টিডিন, ১টি O₂)
• অক্সিজেন অণুগুলি লৌহ আয়নের সাথে আন্তঃপরমাণবিক বন্ধন (coordination bond) গঠন করে। O₂ বাঁধার সময় জারণ অবস্থা পরিবর্তিত হয় না

  

গ্লোবিন প্রোটিন

হিমোগ্লোবিনের প্রোটিন অংশের গঠন

🧩

গ্লোবিনের গঠন

গ্লোবিন হলো হিমোগ্লোবিনের প্রোটিন অংশ যা একটি চতুর্মাত্রিক প্রোটিন (tetrameric protein) - অর্থাৎ এটি চারটি পলিপেপটাইড চেইন দ্বারা গঠিত।

🧵

পলিপেপটাইড চেইন

α (আলফা) চেইন

2 ×

প্রতিটি চেইনে

141

অ্যামিনো অ্যাসিড

β (বিটা) চেইন

2 ×

প্রতিটি চেইনে

146

অ্যামিনো অ্যাসিড

⏩

মোট অ্যামিনো অ্যাসিড

2 × 141 (α) + 2 × 146 (β) =

574

অ্যামিনো অ্যাসিড

গ্লোবিনের চতুর্মাত্রিক গঠন

α

α চেইন

α

α চেইন

β

β চেইন

β

β চেইন

α₂β₂ গঠন

দুটি আলফা এবং দুটি বিটা চেইনের সমন্বয়ে গঠিত

অক্সিজেন বহন : প্রতিটি হিমোগ্লোবিন অণু একটি হিম গ্রুপ ধারণ করে। প্রতিটি হিম গ্রুপ একটি অক্সিজেন অণু (2টি অক্সিজেন পরমাণু) এর সাথে যুক্ত হতে পারে।

মোট অক্সিজেন বহন: সুতরাং, প্রতিটি হিমোগ্লোবিন অণু মোট চারটি অক্সিজেন অণুর সাথে যুক্ত হতে পারে। 

Hemoglobin Formation Process

Step 1: Pyrrole Ring Formation

C

Carbon

+

N

Nitrogen

→

Pyrrole

Step 2: Porphyrin Ring Formation

Pyrrole

Pyrrole

Pyrrole

Pyrrole

+

=CH-

→

Porphyrin

Step 3: Heme Group Formation

+

Fe²⁺

→

Heme Group

Step 4: Hemoglobin Formation

Heme

Heme

Heme

Heme

+

Globin

Globin

Globin

Globin

→

Hemoglobin

Oxygen Binding

Hb

O₂

O₂

O₂

O₂

1 Hemoglobin molecule can carry 4 O₂ molecules

(1 Heme group binds 1 O₂ molecule)

রক্তে অক্সিজেন পরিবহন

হিমোগ্লোবিন ও প্লাজমার মাধ্যমে অক্সিজেন পরিবহন

রক্তে অক্সিজেন পরিবহনের দুইটি প্রধান উপায়:

1. হিমোগ্লোবিনের সাথে যুক্ত (Hb-bound) - 97%
2. প্লাজমার মধ্যে দ্রবীভূত (Dissolved in plasma) - 3%

(a) হিমোগ্লোবিনের সাথে যুক্ত অক্সিজেন পরিবহন

🌬️ 1: ফুসফুসে (Alveoli) — PO₂ ≈ 100 mmHg

• ফুসফুসে বায়ু প্রবেশ করার পর তা পৌঁছায় alveoli নামক এয়ার স্যাক-এ
• এখানে অক্সিজেনের চাপ (PO₂) অনেক বেশি, প্রায় 100 mmHg
• হিমোগ্লোবিন (Hb) ৪টি অক্সিজেন অণু ধারণ করে → oxyhemoglobin (HbO₂) গঠন করে

ফলাফল:

Hb Saturation = 98-100% | ৪টি বালতি পূর্ণ (২০ ml O₂) | ধমনী দিয়ে সারা শরীরে যায়

🧍‍♂️ 2: বিশ্রামরত টিস্যু — PO₂ ≈ 40 mmHg

• শরীরের সাধারণ টিস্যুগুলোতে অক্সিজেনের চাপ কম (40 mmHg)
• হিমোগ্লোবিন ১টি অক্সিজেন ছাড়ে → ৫ ml বেরিয়ে যায়
• বাকি ৩টি ধরে রাখে → ১৫ ml রয়ে যায়

ফলাফল:

Hb Saturation ≈ 75% | O₂ কোষের মাইটোকন্ড্রিয়ায় যায় (cellular respiration)

🏃 3: পরিশ্রমরত টিস্যু — PO₂ ≈ 20 mmHg

• পরিশ্রমের সময় টিস্যুর অক্সিজেন চাহিদা বেড়ে যায় (20 mmHg)
• হিমোগ্লোবিন ৩টি অক্সিজেন ছেড়ে দেয় (১৫ ml)
• শুধু ১টি ধরে রাখে (৫ ml)

ফলাফল:

Hb Saturation ≈ 25-35% | বেশি অক্সিজেন সরবরাহ

🔁 4: ফুসফুসে ফিরে আসা

• শিরা (vein) দিয়ে রক্ত ফুসফুসে ফিরে
• হিমোগ্লোবিনে খুব কম O₂ থাকে
• ফুসফুসে নতুন অক্সিজেন গ্রহণ করে চক্র পুনরাবৃত্তি হয়

হিমোগ্লোবিন ও অক্সিজেনের সম্পর্ক (Cooperative Binding)

হিমোগ্লোবিন (Hb) একসাথে ৪টা O₂ ধরতে বা ছাড়তে পারে। তবে ধাপে ধাপে ছাড়ে:

• প্রথম O₂ ছাড়াটা সহজ
• পরবর্তী গুলো ছাড়তে কম PO₂ দরকার

PO₂ (mmHg)	Hb saturation (%)	O₂ অবস্থা	উদাহরণ
100	~100%	৪টা ধরে	ফুসফুস
40	~75%	৩টা ধরে, ১টা ছাড়ে	বিশ্রামরত টিস্যু
20	~25-35%	১টা ধরে, ৩টা ছাড়ে	পরিশ্রমরত টিস্যু

(b) প্লাজমার মধ্যে দ্রবীভূত অক্সিজেন (Dissolved in plasma)

• মাত্র ৩% অক্সিজেন প্লাজমায় দ্রবীভূত অবস্থায় থাকে
• অক্সিজেনের দ্রবণীয়তা খুব কম → প্রতি ১০০ ml রক্তে মাত্র ০.৩ ml O₂ দ্রবীভূত হয়
• এই মুক্ত অক্সিজেন সরাসরি টিস্যুতে ডিফিউজ (diffuse) করতে পারে
• যখন প্লাজমার O₂ কমে → হিমোগ্লোবিন থেকে নতুন O₂ মুক্ত হয়

গুরুত্ব:

প্লাজমার দ্রবীভূত O₂ টিস্যুতে তাৎক্ষণিক অক্সিজেন সরবরাহ করে

Oxygen Transport in Blood

Hemoglobin-Oxygen Binding Dynamics

LUNGS (Alveoli)

PO₂ ≈ 100 mmHg

→

5 ml O₂

5 ml O₂

5 ml O₂

5 ml O₂

Hb Saturation = 98-100%

Oxyhemoglobin (HbO₂) formed

↓

O₂-rich blood flows through arteries

RESTING TISSUES

PO₂ ≈ 40 mmHg

→

0 ml O₂

5 ml O₂

5 ml O₂

5 ml O₂

Hb Saturation ≈ 75%

O₂ used for cell respiration

ACTIVE TISSUES

PO₂ ≈ 20 mmHg

→

0 ml O₂

0 ml O₂

0 ml O₂

5 ml O₂

Hb Saturation ≈ 25-35%

More O₂ delivered to meet demand

VENOUS BLOOD RETURNS TO LUNGS

↓

Hb low in O₂ → binds new O₂ in alveoli

↓

Cycle repeats

Oxygen Transport Summary

Total O₂ Transport:

• Hb-bound O₂ (97%)
• Dissolved in plasma (3%)

Key Points:

• O₂ dissolves in plasma due to limited solubility
• Plasma O₂ responsible for immediate tissue oxygenation via diffusion

কলাতে অক্সিজেন মুক্তি

অক্সিহিমোগ্লোবিন বিযোজন: কলাতে পৌঁছালে অক্সিহিমোগ্লোবিন (অক্সিজেনযুক্ত হিমোগ্লোবিন) বিযোজিত হয়।

অক্সিজেন মুক্তি: এই বিযোজনের ফলে অক্সিজেন মুক্ত হয় এবং রক্ত থেকে কলা রসে প্রবেশ করে।

কার্বন ডাই অক্সাইড গ্রহণ: এর পরিবর্তে কলা রস থেকে কার্বন ডাই অক্সাইড (CO2) রক্তে প্রবেশ করে।

বিস্তার পদ্ধতি: এই সমস্ত বিনিময় সরল ব্যাপন পদ্ধতিতে ঘটে। 

অক্সিজেনের সাথে হিমোগ্লোবিনের বন্ধন:হিমোগ্লোবিনের সাথে অক্সিজেনের বন্ধনের হার অক্সিজেনের ঘনত্বের সাথে সরাসরি সমানুপাতিক।অর্থাৎ, অক্সিজেনের আংশিক চাপ (PO2) বৃদ্ধি পেলে হিমোগ্লোবিন এবং অক্সিজেনের মধ্যে আকর্ষণ শক্তি বাড়ে।

 

🫁 রক্তে CO₂ পরিবহন

কার্বন ডাইঅক্সাইড পরিবহনের তিনটি পদ্ধতি

পদ্ধতি	পরিমাণ	কীভাবে কাজ করে
1️⃣ Dissolved in plasma	~5-7%	সরাসরি প্লাজমায় দ্রবীভূত
2️⃣ Bound to proteins (esp. hemoglobin)	~10%	Hb-এর সঙ্গে যুক্ত হয়ে carbaminohemoglobin গঠন
3️⃣ As bicarbonate (HCO₃⁻)	~85%	RBC-তে enzyme দ্বারা রূপান্তরিত হয়ে

🔹 1. Dissolved CO₂ in Plasma (~5-7%)

• CO₂ জল/প্লাজমায় O₂-এর তুলনায় বেশি দ্রবীভূত হয়
• এই free CO₂ সরাসরি diffusion এর মাধ্যমে ফুসফুসে যেতে পারে

➡️ উদাহরণ:

গ্লাসে গ্যাস মিশ্রিত পানীয় – একটু নাড়লে গ্যাস বের হয়!

🔹 2. Bound to Hemoglobin (~10%)

• CO₂ RBC-তে ঢুকে হিমোগ্লোবিনের সঙ্গে যুক্ত হয় → গঠন করে Carbaminohemoglobin (HbCO₂)
• এই বন্ধন reversible – মানে ফুসফুসে গিয়ে CO₂ আবার বিচ্ছিন্ন হয়ে বেরিয়ে যায়

🧠 Haldane effect:

হিমোগ্লোবিন O₂ ছাড়ার পর CO₂ ধরতে বেশি ইচ্ছুক হয়

🔹 3. As Bicarbonate Ion (HCO₃⁻) (~85%) – Main Transport Form

ধাপে ধাপে কী ঘটে?

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻

✅ Step-by-step breakdown:

১. CO₂ RBC-এ প্রবেশ

টিস্যুতে CO₂ তৈরি হয় → রক্তে diffuse করে → RBC-তে ঢোকে

২. Carbonic anhydrase কাজ

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ (কার্বনিক অ্যাসিড)

৩. H₂CO₃ ভাঙন

H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻ (বাইকার্বনেট)

৪. Bicarbonate বাইরে

HCO₃⁻ → প্লাজমায় যায়

৫. Chloride shift

Cl⁻ RBC-তে ঢোকে চার্জ ব্যালেন্সের জন্য

🧠 Chloride Shift কেন দরকার?

RBC থেকে HCO₃⁻ বের হলে চার্জের অসাম্য তৈরি হয়, তাই Cl⁻ ঢুকিয়ে ব্যালেন্স ঠিক রাখা হয়

🫁 ফুসফুসে CO₂ নিষ্কাশন

1. প্লাজমা থেকে HCO₃⁻ RBC-তে ফিরে
2. H⁺ + HCO₃⁻ → H₂CO₃ → CO₂ + H₂O
3. CO₂ নিঃশ্বাসে বেরিয়ে যায়

🧠 pH নিয়ন্ত্রণ

• CO₂ → H⁺ তৈরি করে (pH কমায়)
• Hb → H⁺ বাফার করে
• রক্ত pH ~7.4 এ স্থির রাখে

🏔️ উচ্চতার সুবিধা

উচ্চতায় O₂ কমলেও এই বাফার সিস্টেম pH সাম্য বজায় রাখে, মানুষ বাঁচতে পারে

📌 CO₂ পরিবহন সংক্ষেপে

ধরণ	ভাগ	বৈশিষ্ট্য
Plasma dissolved	5-7%	সরাসরি ডিফিউস
Hb-bound (Carbamino)	~10%	Reversible binding
Bicarbonate system	~85%	Enzymatic, pH buffer সহ