تأثير بور

لا يزال هناك جدلٌ حول ما إذا كان بور هو أول من اكتشف العلاقة بين _ثاني أكسيد الكربون وميل الأكسجين، أم أن عالم وظائف الأعضاء الروسي برونيسلاف فيريغو سبقه إلى ذلك، حيث يُزعم أنه اكتشف هذا التأثير عام ١٨٩٨، أي قبل بور بست سنوات. ^{[ ٦ ]} ورغم أن هذا لم يُثبت قط، إلا أن فيريغو نشر بالفعل بحثًا حول علاقة الهيموغلوبين بثاني أكسيد الكربون عام ١٨٩٢. _[ ^{٧ ] كان} نموذجه المقترح معيبًا، وقد انتقده بور بشدة في منشوراته. ^{[ ١ ]}

ثمة تحدٍّ آخر يواجه اكتشاف بور، ينبع من داخل مختبره. فمع أن بور سارع إلى نسب الفضل لنفسه، إلا أن زميله كروغ، مخترع الجهاز المستخدم لقياس تركيزات الغاز في التجارب، ^{[ 8 ]} ظلّ طوال حياته يؤكد أنه هو من كان أول من أثبت هذا التأثير. ورغم وجود بعض الأدلة التي تدعم هذا الادعاء، إلا أن تغيير اسم ظاهرة معروفة بأثر رجعي سيكون أمرًا بالغ الصعوبة، لذا لا يزال يُعرف باسم تأثير بور. ^{[ 4 ]}

عادةً ما يتم تحديد مقدار تأثير بور من خلال ميل المنحنى ${\textstyle \log(P_{50})}$مقابل ${\textstyle {\text{pH}}}$المنحنى حيث يشير P ₅₀ إلى الضغط الجزئي للأكسجين عندما تكون 50% من مواقع ارتباط الهيموجلوبين مشغولة. ويُرمز إلى الميل بـ:${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$أين${\textstyle \Delta }$يدل على التغيير. أي،${\textstyle \Delta \log(P_{50})}$ يشير إلى التغيير في${\textstyle \log(P_{50})}$و${\textstyle \Delta {\text{pH}}}$التغيير في${\textstyle {\text{pH}}}$تُظهر قوة تأثير بور علاقة عكسية مع حجم الكائن الحي: إذ تزداد شدته كلما قلّ الحجم والوزن. على سبيل المثال، تمتلك الفئران تأثير بور قويًا جدًا، حيث${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$قيمة -0.96، والتي تتطلب تغييرات طفيفة نسبيًا في تركيزات H ⁺ أو CO2 _، بينما تتطلب الأفيال تغييرات أكبر بكثير في التركيز لتحقيق تأثير أضعف بكثير${\textstyle \left({\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}=-0.38\right)}$[ ^{9 ]​}

تعتمد ظاهرة بور على التفاعلات التآثرية بين مجموعات الهيم في رباعي وحدات الهيموجلوبين ، وهي آلية اقترحها ماكس بيروتز لأول مرة عام 1970. ^{[ 10 ]} يوجد الهيموجلوبين في هيئتين: حالة R ذات ألفة عالية، وحالة T ذات ألفة منخفضة. عندما تكون مستويات تركيز الأكسجين مرتفعة، كما هو الحال في الرئتين، تُفضَّل حالة R، مما يسمح بربط أكبر كمية من الأكسجين بمجموعات الهيم. أما في الشعيرات الدموية، حيث تكون مستويات تركيز الأكسجين منخفضة، فتُفضَّل حالة T لتسهيل توصيل الأكسجين إلى الأنسجة. تعتمد ظاهرة بور على هذه التآثرية، إذ أن زيادة ثاني أكسيد الكربون _{وأيونات} الهيدروجين ^تُساعد على استقرار حالة T وضمان توصيل كمية أكبر من الأكسجين إلى العضلات خلال فترات ارتفاع معدل التنفس الخلوي. ويتضح ذلك من حقيقة أن الميوغلوبين ، وهو مونومر لا يخضع للتآثرية، لا يُظهر ظاهرة بور. ^{[ ٢ ]} قد تُظهر طفرات الهيموجلوبين ذات التغاير الفراغي الأضعف تأثير بور مُنخفضًا. على سبيل المثال، في اعتلال الهيموجلوبين المتغير لهيروشيما ، يقل التغاير الفراغي في الهيموجلوبين، ويضعف تأثير بور. ونتيجة لذلك، خلال فترات التمرين، يكون للهيموجلوبين الطافر ألفة أعلى للأكسجين، وقد تُعاني الأنسجة من نقص طفيف في الأكسجين . ^{[ ١١ ]}

عندما يكون الهيموجلوبين في حالته T، تتأين مجموعات الأمين الطرفية N للوحدات الفرعية α والهيستيدين الطرفي C للوحدات الفرعية β، مما يمنحها شحنة موجبة ويسمح لهذه البقايا بالمشاركة في تفاعلات أيونية مع مجموعات الكربوكسيل على البقايا المجاورة. تساعد هذه التفاعلات في تثبيت الهيموجلوبين في الحالة T. يؤدي انخفاض الرقم الهيدروجيني (زيادة الحموضة) إلى زيادة استقرار هذه الحالة، حيث أن انخفاض الرقم الهيدروجيني يزيد من احتمالية تأين هذه البقايا، مما يقوي التفاعلات الأيونية. في الحالة R، تغيب الروابط الأيونية، مما يعني أن استقرار الحالة R يزداد مع زيادة الرقم الهيدروجيني، حيث تقل احتمالية بقاء هذه البقايا مؤينة في بيئة أكثر قاعدية. يعمل تأثير بور عن طريق زعزعة استقرار الحالة R ذات الألفة العالية وتثبيت الحالة T ذات الألفة المنخفضة في آن واحد، مما يؤدي إلى انخفاض عام في ألفة الأكسجين. ^{[ 2 ]} يمكن تصور ذلك على منحنى تفكك الأكسجين والهيموجلوبين عن طريق تحريك المنحنى بأكمله إلى اليمين.

يمكن لثاني أكسيد الكربون أيضًا أن يتفاعل مباشرة مع مجموعات الأمين الطرفية N لتكوين الكربامات ، وفقًا للتفاعل التالي:

${\displaystyle {\ce {R-NH2 + CO2 <=> R-NH-COO^- + H+}}}$

_{يشكّل ثاني} أكسيد الكربون الكربامات بشكل متكرر في الحالة T، مما يساعد على استقرار هذا التكوين. كما ينتج عن هذه العملية بروتونات، مما يعني أن تكوين الكربامات يساهم أيضًا في تقوية التفاعلات الأيونية، وبالتالي زيادة استقرار الحالة T. ^{[ 2 ]}

في عام 1961، تم اكتشاف استثناء للعلاقة القوية بين حجم جسم الحيوان وحساسية الهيموجلوبين لتغيرات الرقم الهيدروجيني. ^{[ 12 ]} وبناءً على حجمها ووزنها، افترض الباحثون أن العديد من الثدييات البحرية لديها تأثير بور منخفض للغاية، يكاد يكون معدومًا. ^{[ 9 ]} إلا أنه عند فحص دمائها، تبين أن هذا ليس صحيحًا. فقد لوحظ أن الحيتان الحدباء التي تزن 41000 كيلوغرام لديها تأثير بور منخفض للغاية.${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$تبلغ قيمة 0.82، وهي تعادل تقريبًا مقدار تأثير بور في خنزير غينيا  يزن 0.57 كجم . ^{[ 9 ]} يُفترض أن تأثير بور القوي للغاية هذا هو أحد تكيفات الثدييات البحرية العديدة للغوص العميق والطويل، حيث يسمح بانفصال جميع الأكسجين المرتبط بالهيموجلوبين تقريبًا وتزويد جسم الحوت به أثناء وجوده تحت الماء. ^{[ 12 ]} يدعم فحص أنواع أخرى من الثدييات البحرية هذا الافتراض. ففي حيتان الطيار وخنازير البحر ، التي تتغذى بشكل أساسي على السطح ونادرًا ما تغوص لأكثر من بضع دقائق،${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$كانت القيمة 0.52، وهي قيمة مماثلة لقيمة البقرة ، ^{[ 9 ]} وهي أقرب بكثير إلى حجم تأثير بور المتوقع للحيوانات من نفس حجمها. ^{[ 12 ]}

تحدث حالة خاصة أخرى لتأثير بور عند وجود أول أكسيد الكربون . يعمل هذا الجزيء كمثبط تنافسي للأكسجين، ويرتبط بالهيموجلوبين لتكوين كاربوكسي هيموجلوبين . ^{[ 13 ]} تبلغ ألفة الهيموجلوبين لأول أكسيد الكربون حوالي 210 أضعاف ألفته للأكسجين _، [ ^{14 ] مما} يعني أنه من غير المرجح أن يتفكك، وبمجرد ارتباطه، فإنه يمنع ارتباط الأكسجين _بتلك الوحدة الفرعية. في الوقت نفسه، يتشابه أول أكسيد الكربون بنيويًا مع الأكسجين بدرجة كافية _تجعل كاربوكسي هيموجلوبين يفضل الحالة R، مما يزيد من ألفة الأكسجين للوحدات الفرعية المتبقية غير المشغولة. يقلل هذا المزيج بشكل كبير من توصيل الأكسجين إلى أنسجة الجسم، وهو ما يجعل أول أكسيد الكربون سامًا للغاية . يتم تقليل هذه السمية قليلاً بزيادة قوة تأثير بور في وجود كاربوكسي هيموجلوبين. يعود هذا الارتفاع في نهاية المطاف إلى اختلافات في التفاعلات بين مجموعات الهيم في كاربوكسي هيموجلوبين مقارنةً بالهيموجلوبين المؤكسج. ويكون هذا الارتفاع أكثر وضوحًا عندما يكون تركيز الأكسجين منخفضًا للغاية، كمحاولة أخيرة عندما تصبح الحاجة إلى توصيل الأكسجين حرجة. ومع ذلك، لا تزال الآثار الفسيولوجية لهذه الظاهرة غير واضحة. ^{[ 13 ]}