Teórica 11. Respiración. Intercambio gaseoso 2014.pdf
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SISTEMA RESPIRATORIO 1 S. XVIII - Un gas (CO2) puede ser el producto de una reacción química - Lavoisier demuestra que la fermentación produce CO2 - Fermentación consume O2 - Spellanzani: O2 es consumido y CO2 es producido en tejidos 2 Respiración: 3 niveles 1) Nivel Bioquímico – Molecular C6H12O6 + 6 O2 -------------- 6 H2O + 6 CO2 + E (ATP) 2) Nivel Celular Captación y utilización de O2 y producción y liberación de CO2 por parte de las células (permeabilidad de la membrana) 3) Nivel Organismo (sólo en pluricelulares) Respiración externa: captación y transporte interno de O2, y transporte y liberación de CO2 del organismo como un todo. Se debe transportar 3 a los gases entre el ambiente y las células de diferentes tejidos. Organismos menores a 1 mm con baja actividad metabólica J es proporcional a gradiente J = P . ΔC/Δx Aca el ΔX es muy grande Mayor tamaño y/o mayor metabolismo Paramecio, esponja. Mobiliza y “mezcla” el medio externo para mejorar intercambio. Gradiente mayor J = P . ΔC/Δx ΔX se achica por mezcla de O2 por agitacion 4 Sist. convector int. (Sist circulatorio) Medio externo (agua de mar) Medio interno En organismos pluricelulares complejos necesitamos un sistema circulatorio para intercambiar O2 y CO2 entre células y medio externo. Esto hace que además de convección externa (ej branquias) tengamos convección en el medio interno. Esto genera un importante gradiente en la membrana de intercambio con el medio externo. La membrana de intercambio entre medio interno y células es la membrana celular. En vertebrados terrestres; se debe tomar O2 desde ambiente seco pulmones (sist. convectivo externo). Ademas sistema conv. interno (sistema circulatorio). En corazón de cuatro cámaras (mamíferos, reptiles) tenemos un doble circuito circulatorio que aumenta gradientes entre medio externo e interno, y entre medio interno y tejidos. 5 INTERCAMBIO GASEOSO convección externa (ventilación alveolar) difusión a nivel alveolar convección interna (sistema circulatorio) difusión tisular 6 SISTEMA RESPIRATORIO HOMBRE: sistema convectivo externo VÍAS AÉREAS + MEMBRANA DE INTERCAMBIO + MÚSCULOS cavidad nasal cavidad oral faringe vías aéreas superiores laringe tráquea bronquio primario tracto respiratorio diafragma saco alveolar alveolo 7 TRACTO RESPIRATORIO laringe diametro mm cilia c. goblet cartilago músculo liso 35-45 +++ +++ +++ 0 20-25 +++ +++ +++ + 12-16 +++ ++ +++ ++ bronquio secundario 10-12 +++ ++ +++ ++ bronquio terciario 8-10 +++ ++ ++ ++ 1-8 +++ + + 0.5-1 ++ + < 0.5 ++ +++ < 0.5 + + tráquea bronquio primario bronquiolo sacos alveolares 0.3 ++ +++ 8 0 (cm2) > 1 x 106 cm2 > 100 m2 - A medida que avanzamos en tracto aumenta área total y disminuye la velocidad de transporte del aire. -Difusión aumenta directamente con área de intercambio e inversamente con grosor de membrana. 9 - En alvéolos el grosor se reduce a un simple epitelio muy delgado y el área total es enorme. SISTEMA RESPIRATORIO vías aéreas superiores (además del transporte) •Humidificación del aire •Llevar el aire a la temperatura corporal •Filtrar, limpiar el aire de partículas 10 SISTEMA RESPIRATORIO Tráquea 11 SISTEMA RESPIRATORIO lumen Tráquea 12 SISTEMA RESPIRATORIO Alveolos: el intercambio gaseoso se produce en los alveolos Células tipo I Células tipo II surfactantes Poro alveolar >300 x 106 alveolos superficie aprox. 100 m2 5-6 litros de aire 13 Membrana respiratoria (0.2 μm) SISTEMA RESPIRATORIO Alveolos 14 Cavidad Toráxica Pared toráxica: Protege a pulmones + actividad de bomba saco pleural músculos intercostales pleura pleura visceral parietal diafragma espacio intrapleural (15 ml) 15 Tendencia de caja toráxica a expandirse en reposo y fuerza de retracción elástica de los pulmones (2 componentes) determina existencia de presión subatmosférica en cavidad pleural (1) la elasticidad propia del tejido pulmonar; (2) la tensión superficial en la interface aire alveolar-alvéolo que tiende a colapsar las cavidades alveolares. ESTA PRESION INTRAPLEURAL ES SIEMPRE MENOR QUE LA INTRAPULMONAR, HACIENDO QUE LOS PULMONES SE MANTENGAN SIEMPRE DISTENDIDOS (CASO PATOLOGICO: PNEUMOTÓRAX) 16 Ciclo Respiratorio (respiración tranquila) 1 contracción de los músculos intercostales externos y diafragma INSPIRACION activa 0 2 REPOSO El aire se mueve por diferencias de presión entre la atmósfera y los alvéolos Patm > Palv : inspiración Patm < Palv : espiración relajación de los músculos intercostales externos y diafragma ESPIRACION pasiva 17 Cambios de volúmen en la caja torácica ΔV Espiración Inspiración 18 Ciclo respiratorio volumen de aire (l) Presión intraalveolar (mm Hg) inspiracion espiracion tiempo Palv relativa a la Patm volúmen respiratorio 19 tiempo 3 Presiones: atmosférica (constante: 760 mmHg), intrapleural e intraalveolar - El aire se moverá según la diferencia entre Palv y Patm (por ley de caudal). La Palv y Ppleu se expresan como diferencia respecto a Patm. - Expansión del tórax provoca caída de Palv por ↑ Vol (Boyle) - Entrada o salida de aire provoca cambios de Palv x Ec Gral Estado (cambia n) Boyle: P.V = cte → P = cte/V Ciclo Respiración Tranquila Caudal = (Patm – Palv) / R Ec Gral de Estado: P.V = n.R.T En respiración forzada la espiración es activa e intervienen músculos adicionales reposo 20 -Las vías aéreas ofrecen baja resistencia al paso del aire (gran sección total). Por lo tanto una baja ΔP alcanza - La R a nivel de los bronquiolos puede ser modificada por contracción del músculo liso. - control extrínseco por sistema nervioso autónomo y médula adrenal. - intrínseco por mediadores químicos locales. - Broncodilatación y broncoconstricción 21 Compliance pulmonar = V (Palv. – Pi.pl.) Palv – Pi.pl. : presión transpulmonar o transmural > c.p. → < W muscular para introducir un Vol. aire en pulmones c.p. depende en forma inversa de la presencia de fibras de tejido conectivo en los pulmones y de la tensión superficial del líquido que recubre los alvéolos La tensión superficial se reduce gracias a la presencia de un surfactante liberado los las células tipo II del epitelio pulmonar. El surfactante aumenta la complacencia pulmonar y reduce el trabajo que deben realizar los músculos en la inspiración. 22 SISTEMA RESPIRATORIO Alveolos. Surfactante La tensión superficial es la fuerza tangencial que ejercen las moléculas de agua en la superficie para mantenerse unidas. d La Tsup tiende a “cerrar” la burbuja Definicion de Tensión (membrana elástica) F T = F/d Los surfactantes interfieren en los puentes de H entre moleculas de agua, disminuyendo la tensión superficial Es un fosfolípido: la dipalmitoilfosfatidilcolina 23 Respirómetro 24 ESPIROGRAMA Inspiración profunda TV: volumen tidal (corriente) ~0.5 l IRV: volumen de reserva inspiratorio ~2.5 l ERV: volumen de reserva espiratorio ~1.5 l RV: volumen residual (no se mide con espirómetro (si con He)) IC: capacidad inspiratoria VC: capacidad vital (VT+IRV+ERV) ~4.5 l Volumen muerto: 150 ml La Capacidad Vital es la máxima cantidad de aire que pueden intercambiar los pulmones. Es un índice clínico de la función pulmonar Espiración profunda 25 Para una respiración tranquila VRM = 0.5 l x 12 min-1 = 6 l/ min VRM : volumen respiratorio por minuto VAM = (0.5-0.15 l) x 12 min-1 = = 0.35 x 12 min-1 = 4.2 l/min VAM : ventilación alveolar por minuto Volumen muerto: 0.15 l En sangre sistémica aprox: 100 mmHg O2 y 40 mmHg CO2 El sistema se debe regular para mantener dichos valores (para distintas tasas metabólicas) 26 Regulacion Central de la Ventilación 27 Ritmo respiratorio El ritmo respiratorio está controlado por el sistema nervioso central centro neumotáxico centro de la actividad ritmica respiratoria grupo respiratorio ventral grupo respiratorio dorsal tronco cerebral Protuberancia Bulbo Neuronas somáticas motoras - nervio frénico: diafragma -nervios intercostales: músculos intercostales (estimulan a músculos respiratorios en forma cíclica) 28 respiración tranquila respiración con espiración activa 29 VRG: ventral respiratory group DRG: dorsal respiratory group 30 GENERADOR CENTRAL DEL PATRON DE RITMO RESPIRATORIO (CPG: central pattern generator) No se detiene ritmo respiratorio: protuberancia no cumple papel fundamental, y además el centro que genera el patrón rítmico se encuentra debajo. Se para actividad de diafragma e intercostales, pero no de músculos accesorios (mantienen el ritmo): los nervios que controlan estos músculos salen directemante del bulbo. Además centro del patrón rítmico está arriba. 31 GENERADOR CENTRAL DEL PATRON DE RITMO RESPIRATORIO (CPG: central pattern generator) Dos hipótesis: - H1: ciertas neuronas del CPG tienen actividad de marcapasos. - H2: Interacciones entre redes neuronales 32 INTERCAMBIO GASEOSO EN ALVEOLOS 33 Intercambio gaseoso 34 Intercambio gaseoso Pero respiramos aire, que es una mezcla de gases ………… Aire contiene mercurio, Hg 760 mm presión atmosférica 760 mm Hg = 1 atm N2 O2 CO2 H2O 79% 20.93% 0.03% variable (mm Hg) : 568.0 160.0 0.3 35 Intercambio gaseoso para una mezcla del gas a, b y c Ley de Dalton Ptotal = Pa + Pb + Pc pa = xa . PT pb = xb . PT pc = xc . PT Esto supone idealidad en cada gas y en la mezcla: Gases diluídos se aproximan xi = ni / n T Pi = niRT / V Por ejemplo para O2: 760 mm Hg x 0.21 = 160 mm Hg 36 En reposo una persona adulta, en promedio: - Inhala 6000 ml de aire/min - 4200 ml/min alcanzan los alvéolos (luego de restado el espacio muerto) - 882 ml/min del aire que llega a alvéolos es O2 (21%) - 250 ml/min de O2 difunde a la sangre - los restantes 632 ml son exhalados 250 ml/min => 360000 ml/día = 360 l/día O2 Se necesita un sistema muy eficiente (gran superficie de intercambio) 37 Intercambio gaseoso Capa de agua alveolar Sangre capilar Aire Alveolar O2 (g) O2 (s) O2 (s) CO2 (g) CO2 (s) CO2 (s) El intercambio de O2 y CO2 se da entre una fase gaseosa y otra líquida Ley de Henry: [a]liq = k pa 38 Ley de Henry: C = k pa oxígeno aire plasma Molar gas volume: 22.4 litros dióxido de carbono PO =100 mm Hg 2 PCO =100 mm Hg 2 PO =100 mm Hg 2 PCO =100 mm Hg 2 [O2] = 0.15 mM [CO2] = 3 mM 3 ml O2 / l plasma 67 ml CO2 / l plasma el CO2 es 20 veces más soluble en H2O que el O2 39 en equilibrio Algo de Sistema Circulatorio y Sangre 40 SISTEMA CIRCULATORIO arteria pulmonar vena pulmonar aorta circulación pulmonar vena cava circulación sistémica capilares sangre oxigenada y bajo CO2 sangre deoxigenada y alto CO2 41 SANGRE Composición (8% del peso corporal, (4-7 litros)) H2O 90% Plasma 55% Células 45% K+, Na+, Cl+, Ca2 O2, CO2 proteínas (8%): pH= 7.4 eritrocitos leucocitos 42 médula osea 43 SANGRE Glóbulos rojos 7.5 mm Transporte de O2 & CO2 La forma facilita difusión de gases Color x Hb Hematocrito humano:5 x 106 gl.rojos/ml Regulacion homeostática x eritropoyetina 44 SANGRE Funciones Distribución de: • Oxígeno desde pulmones • Nutrientes desde tracto digestivo • Residuos metabólicos desde las células • Hormonas desde glándulas Regulación de: • Temperatura • pH Protección: • Antibacteriana y antiviral 45 Seguimos con Intercambio Gaseoso 46 Intercambio gaseoso O2 CO2 Presiones parciales en el sistema circulatorio (en mm Hg) Sangre Deoxigenada Atmosfera 160 / 0.3 arteria pulmonar 40 / 46 alv remanente alveolo Aire Sangre en resp tranq > 3l, y tidal- vol muerto 100 / 40 vol Oxigenada 0.35 l. vena pulmonar 100 / 40 vena sistémica (sangre venosa mezclada) (en reposo) 40 / 46 En promedio los tejidos del organismo humano consumen 250 ml O2/min y producen 200 ml/min de CO2 en reposo (estas cantidades exactamente deben ser repuestas/eliminadas en pulmones) arteria sistémica 100 / 40 tejidos <40 / >46 47 J = D [O2]alv – [O2]sangre Δx Como el espesor de la pared Δx y D son constantes, y por ley de Henry podemos expresar [O2] en presion parcial: J = K . (PO2 alv – PO2 sangre) (en K (permeabilidad) se combinan D, Δx y k de L.Henry) Lo mismo podemos aplicar para el CO2: J = K . (PCO2 sangre – PCO2 alv) J se expresa por unidad de superficie. La gran superficie de intercambio aumenta marcadamente el flujo En reposoO2 y CO2 se equilibran en 1/3 del recorrido LAS 3 VARIABLES QUE DETERMINAN EL FLUJO SON EL GRADIENTE DE CONCENTRACIÓN, LA PERMEABILIDAD DE LA PARED ALVEOLO CAPILAR Y LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO 48 Intercambio gaseoso Atmósfera 160 mm Hg vena pulmonar 100 mm Hg INCONGRUENCIA ENTRE VALORES Se debe mejorar el mecanismo a traves del cual se transporta el O2 en la sangre. 3 ml O2 /litro sangre 5000 ml sangre/min 15 ml O2 / min Consumo en reposo 250 ml /min O2 49 Intercambio gaseoso HEMOGLOBINA 50 Intercambio gaseoso Hemoglobina PO2 = O2 libre en solución O2 en sangre oxigenada arterial Plasma Hb PO =100 mm Hg 2 [O2]sol = 0.15 mM O2 (sol) Hb Hb.O2 Sangre total mm Hg 100 -------- ------- mM 0.15 9.85 10 ml 3 197 200 Contenido de O2 = O2 disuelto + Hb.O2 Hb.O2 no contribuye a PO2 (determinante de J) pero PO2 es una función de Hb.O2 Hb: deoxihemoglobina Hb.O2: oxihemoglobina 51 Intercambio gaseoso Transporte de oxígeno alvéolo-capilar alveolo pulmonar aumenta PO2 en eritrocito (por difusión) Hb + O2 Hb.O2 (por ley de acción de masas) O2 O2 Hb Hb.O2 52 Intercambio gaseoso Transporte de oxígeno capilar-tejidos capilares sistémicos disminuye PO2 (por difusión) Hb + O2 Hb.O2 (por ley de acción de masas) Hb.O2 Hb O2 O2 53 Reacción hemoglobina - oxígeno. O2 saturation descarga en reposo venas sist. arterias sist PO2 saturation mmHg Queda como reserva para mayores demandas Este proceso es reversible (toma O2 en pulmones y cede O2 en tejidos O2 Hb O2 Hb.O2 O2 O2 Hb.(O2)2 Hb.(O2)3 Hb.(O2)4 Hb 100% 54 saturada - Hb 100% saturada: 1 gr de Hb lleva 1.34 ml O2 - En sangre 150 gr Hb/l => 200 ml O2/l. sangre - A normal PO2 arterial (100 mm Hg) => Hb está 98% saturada (196 ml O2/l sangre) - Vol/min cardíaco: 5 l/min = sangre transporta 980 ml O2/min - Tejidos en reposo consumen: 250 ml O2/min - Por lo tanto sólo el 25% del O2 pasa a tejidos y el resto queda como reserva - El 75% de los sitios de Hb están ocupados cuando la sangre deja los tejidos - Este 75% de Hb ocupada está en equilibrio con una P parcial de O2 de 40 mm Hg (sangre venosa mezclada) 55 Hay factores que producen Cambios de Afinidad de Hb para O2 4 factores fisiológicos -Temp - pH promueven en cond. norm. descarga de O2 en tejidos y captación de O2 x Hb en pulmones - PCO2 - 2.3 DPG Promueve entrega de O2 en tejidos en situaciones de bajos niveles de O2 en sangre Corrimiento a derecha => Hb cede + O2 a tejidos (para una dada PO2 disminuirá el % de saturación) Corrimiento a la izq. => se cargará mejor Hb en pulmones (dada una PO2 => aumentará el el % de saturación) 56 Intercambio gaseoso La temperatura afecta la interacción Hb-O2 Tejidos: a > Tasa metabolica → > T local → < afinidad Pulmones: en venas sistemicas → < T → > afinidad → > captura de O2 57 Intercambio gaseoso El pH afecta la interacción Hb-O2 Efecto Bohr En tej con alta tasa metabólica → ↑CO2 CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+ Esto implica ↓pH Hb + O2 ↔ Hb.O2 + nH+ X ley de acción de masas a > [H+] => ↓ Hb.O2 58 PCO2 afecta la interacción Hb-O2 Efecto Carbamino El aumento de CO2 también favorece cesión de O2 por Hb.O2 en forma independiente a pH Hb + CO2 ↔ Hb . CO2 (carbaminohemoglobina) Hb . CO2 posee menor afinidad por O2 que Hb Es un efecto fisiológico, pero a altas concentraciones CO2 es tóxico CO: veneno 59 tasa metabólica Temp - CO2 - pH hemoglobina Afinidad O2-Hb liberación O2 a tejido 60 Intercambio gaseoso El 2,3-difosfoglicerato afecta la interacción Hb-O2 -2.3 DPG es un derivado de la glucólisis - condiciones normales: si Hb.O2 es alta se inhibe formación de 2.3 DPG. - Bajos niveles de O2 (anemia, altura) favorecen aumento de DPG - DPG baja afinidad de Hb por O2 - es un proceso compensatorio de situaciones con baja oferta de O2 para tejidos 61 Intercambio gaseoso Transporte de dióxido de carbono capilares sistémicos PCO2 DE PLASMA SE MANTIENE RELATIVAMENTE BAJA, FAVORECIENDO QUE SIGA DIFUNDIENDO CO2 DE TEJIDOS A LA SANGRE. EL TRANSPORTE DE HCO3- A PLASMA FAVORECE QUE CO2 + H2O CO3H2 NO LLEGUE NUNCA AL EQUILIBRIO 62 Intercambio gaseoso Transporte de dióxido de carbono CO2 Hb Hb.CO2 CO2 + H2O carbaminohemoglobina anhydrasa carbónica H2CO3 HCO3- + H+ En tejidos se desplaza en este sentido Distribución del contenido de CO2 CO2 (5-6%) HCO3(87-90%) Hb-CO2 (5-7%) 63 Intercambio gaseoso Transporte de dióxido de carbono anhydrasa carbónica CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ En pulmones se desplaza en este sentido 64 Efecto Haldane Al igual que CO2 disminuye la afinidad de Hb x O2 (efecto carbamino). EL O2 DISMINUYE LA AFINIDAD DE Hb POR CO2, FAVORECIENDO CESIÓN DE CO2 A ALVEOLOS 65 Quimiorreceptores: señalización para los centros del control respiratorio 66 REFLEJO QUIMIORRECEPTOR El generador central del ritmo debe recibir informacion sobre los niveles de O2 y CO2 (H+) Quimiorreceptores - Bulbo - Cuerpos carotídeos cuerpo carotideo Arteria carótida 67 REFLEJO QUIMIORRECEPTOR glomus 68 REFLEJO QUIMIORRECEPTOR Dopamina Las células glomus son sensibles a los niveles de O2 y pH (funcion de CO2) 69 REFLEJO QUIMIORRECEPTOR corriente de K+ sensible a O2 70 REFLEJO QUIMIORRECEPTOR O2 y/o pH en cuerpo carotideo (-) frecuencia disparo del nervio del seno carotideo Centro Respiratorio en Bulbo Raquídeo Ritmo respiratorio 71 fin 72