O termo "transporte do O₂" engloba todos os processos envolvidos na mobilização do oxigênio desde o ar inspirado até a mitocôndria.

Um fornecimento contínuo de oxigênio é necessário para a manutenção da integridade e função normal das diversas células do organismo; esse oxigênio serve como aceptor final de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial, processo acoplado à fosforilação oxidativa que gera ATP. Essa é a principal via metabólica pela qual o organismo consome oxigênio.

O movimento das moléculas de O₂ da atmosfera às mitocôndrias requer o funcionamento integrado dos pulmões, coração, sangue e rede vascular que compõem um complexo sistema de transporte de massa capaz de suportar variações no consumo de oxigênio (VO₂) tão grandes quanto 15 a 20 vezes.

É por difusão que as moléculas de O₂ se movem do gás alveolar para o sangue que percorre os capilares pulmonares; é também por difusão que este gás se move do capilar sistêmico até às mitocôndrias, nos diversos órgãos sistêmicos. O movimento do CO₂ é no sentido oposto mas também se processa por difusão. Ambos os gases sofrem reações na corrente sangüínea no início e no fim de suas jornadas entre os pulmões e os tecidos periféricos.

A eficiência do processo de difusão simples pela membrana alvéolo-capilar é grandemente aumentada:

1) pela rápida renovação circulatória do sangue em contato com os capilares dos alvéolos pulmonares e dos tecidos

2) pelas rápidas reações químicas que sofrem os gases respiratórios assim que atingem o sangue; as ligações químicas reversíveis da hemoglobina com o O₂ e o CO₂ são complementares e colabam consideravelmente para a capacidade de transporte do sangue

3) pela presença de enzimas específicas que aceleram a captação de O₂ nas células transportadoras, bem como a combinação de CO₂ com a água na corrente sangüínea

4) pela adequação da circulação sangüínea com o volume de ventilação alveolar em função de exigências metabólicas.

Diariamente, cerca de 1 Kg de cada um dos gases respiratórios é trocado pela atmosfera com os tecidos. A despeito da intensa troca gasosa, a composição do ar alveolar persiste admiravelmente constante, sem alterações bruscas na PaO₂ ou PaCO₂. Isso ocorre principalmente porque cerca de 10 % do ar alveolar é renovado a cada ciclo respiratório, pois o volume corrente é adicionado a uma CRF (Capacidade Residual Funcional) quase dez vezes maior.

Além disso, a velocidade do fluxo aéreo decresce enormemente à medida em que nos aproximamos dos alvéolos, pois as sucessivas ramificações da árvore traqueobrônquica aumentam muito a área de secção transversal; ao nível das unidades de trocas gasosas, não há fluxo mensurável, sendo a renovação do ar alveolar decorrente do processo de difusão molecular.

Como a chegada de o₂ é superior ao seu consumo pelo sangue venoso que se arterializa, essa difusão da fase gasosa não limita, em condições normais, a quantidade de O₂ que atravessa a membrana e se combina com a hemoglobina.

A próxima fase é a difusão através da membrana alvéolo-capilar, onde o sangue venoso é exposto ao gás alveolar que contém mais O₂ (PaO₂ = 105 mmHg) e muito menos CO₂ (PaCO₂ = 40 mmHg) que ele próprio (P_VO₂ = 40 mmHg e P_VCO₂ = 45 mmHg). Em função dessas diferenças de pressão, o CO₂ difunde-se do capilar para o alvéolo e o O₂ difunde-se em sentido oposto.

O equilíbrio entre as pressões dos gases alveolares e capilares é atingido tão rápido quanto em 0.25 s ou 1/3 do tempo de trânsito de cada hemácia (0.75 s).

No exato momento em que as moléculas de O₂ atravessam a membrana alvéolo-capilar e penetram no plasma, forma-se uma diferença de PO₂ entre plasma e hemoglobina contida no citoplasma da hemácia; isso desencadeia a "difusão na fase sangüínea" em que o O₂ migra do plasma a hemoglobina.

Embora a ligação de O₂ seja extremamente rápida, ela se constitui no fator limitante da difusão alvéolo-capilar.

O O₂ oferecido pelos alvéolos é captado pela hemoglobina, que, assim, se converte de seu estado reduzido para a forma oxigenada (oxidada). A oxi-Hemoglobina é um ácido mais forte que a hemoglobina reduzida; passa a neutralizar radicais alcalinos antes neutralizados por outros ânions (Cl-, HCO₃-) presentes nos eritrócitos.

Para equilibrar esta captação de cátions pela oxi-Hemoglobina, um número correspondente de íons cloreto se difunde para o exterior dos eritrócitos, enquanto que íons bicarbonato penetram nos eritrócitos, numa troca. Este bicarbonato é convertido em CO₂ molecular e H₂O numa reação acelerada pela anidrase carbônica, presente no interior dos eritrócitos. O CO₂ assim liberado se difunde para o plasma e daí para o ar alveolar.

A oxidação da hemoglobina também provoca uma liberação de CO₂ de grupos amínicos, com os quais o CO₂ se combina quando a molécula se encontra reduzida; os grupos amínicos são incapazes de manter esta combinação quando a molécula se torna mais ácida em virtude da oxigenação.

Esta fração de CO₂ também difunde para o plasma e em seguida para os alvéolos. À medida que o CO₂ dissolvido no plasma se difunde para o ar alveolar, a tensão de CO₂ do plasma cai e quantidades adicionais de CO₂ são liberadas de combinações químicas.

A perda de CO₂ do sangue torna-se mais alcalino, o que permite à hemoglobina combinar-se com mais oxigênio do que seria possível se a reação do sangue permanecesse inalterada. Assim, a captação de O₂ expulsa CO₂ do sangue, enquanto que a perda de CO₂ permite ao sangue absorver mais O₂ .

Nos tecidos, esta relação se inverte completamente. O CO₂ produzido pela engenharia metabólica dos diferentes tecidos reage com o sangue contido nos capilares sistêmicos, sendo transportados até os pulmões principalmente na forma de bicarbonato de sódio, onde difunde-se para alvéolos pulmonares; o O₂ presente no ar alveolar interage com a hemoglobina, após atravessar a membrana alvéolo-capilar, sendo transportado até à intimidade dos tecidos sistêmicos.

Os tecidos requerem uma pressão de oxigênio surpreendentemente pequena para manter funcionando adequadamente suas mitocôndrias. Uma pressão de 5 mmHg no citoplasma, e de apenas 1 mmHg na mitocôndria é mais do que suficiente para que as mitocôndrias trabalhem a plena carga.

O sistema de transporte de oxigênio é capaz de fornecer todo o O₂ necessário ao metabolismo celular em repouso e de aumentar esse fornecimento quando se elevam as demandas metabólicas, como se dá no exercício.

Quando cessa o transporte de O₂, como ocorre na parada cardíaca, a morte sobrevem em 3 a 10 minutos.

Um adulto normal de 70 Kg de peso corporal transporta aproximadamente 1050 ml de O₂ por minuto, dos quais os tecidos consomem 250 ml/min (3 a 5 ml/Kg/min); para tanto os pulmões movimentam cerca de 10 000 litros de ar e recebem cerca de 8 mil litros de sangue venoso para ser arterializado, diariamente, "quer chova ou faça sol".

O ar contém oxigênio a uma pressão que é aproximadamente igual a 159 mmHg; desde o ar ambiente até a mitoc6ondria, o oxigênio passa de um compartimento para outro por diferença de pressão parcial; assim é que, no alvéolo, sua pressão é de 105 mmHg, no sangue arterial em torno de 95 mmHg e no capilar sistêmico, próximo de 45 mmHg, se difundindo daí em direção aos tecidos, onde a pressão é inferior a 10 mmHg.