Sistema Respiratorio

SISTEMA RESPIRATORIO

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

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

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 a los gases entre el ambiente con células en tejidos.

J = P . ΔC/ΔxAca el ΔX es muy grande

J = P . ΔC/ΔxΔX se achica por mezcla de O2 por agitacion

Gradiente mayor

J es proporcional a gradiente

Organismos menores a 1 mm con baja actividad metabólica

Mayor tamaño y/o mayor metabolismo Paramecio, esponja

La conjunción de convección externa e interna aumenta más todavía el gradiente en la membrana de intercambio con el medio externo (ej. branquias de pez o invertebrado).Además membrana de intercambio entre medio interno y células. Sist conv interno ademas transporta gases hasta y desde tejidos

Sist. convector int.(Sist circulatorio)

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 estremedio externo e interno, y entre medio interno y tejidos.

convección externa(ventilación alveolar)

convección interna(sistema circulatorio)

difusión a nivel alveolar

difusión tisular

INTERCAMBIO GASEOSO

cavidad nasalcavidad oral

tráquealaringe

bronquio primario

diafragma

saco alveolar

alveolo

vías aéreas superiores

tracto respiratorio

SISTEMA RESPIRATORIO HOMBRE: sistema convectivo externo

faringe

VÍAS AÉREAS + MEMBRANA DE INTERCAMBIO + MÚSCULOS

20-25

35-45

12-16

10-12

8-10

1-8

0.5-1

< 0.5

< 0.5

0.3

+++

+++

+++

+++

+++

+++

++

++

+

+++

+++

+++

+++

++

+

0

+

++

++

++

++

+++

+++

+

0

laringe

tráquea

bronquio primario

bronquio secundariobronquio terciario

bronquiolo

sacos alveolares

+++

+++

++

++

++

+

+

diametromm cilia cartilago músculo

lisoc.

gobletTRACTO RESPIRATORIO

(cm2)

> 100 m2

- A medida que avanzamos en tracto aumenta área total y disminuye el flujo (J: masa/[s.t]) de aire.-Difusión aumenta directamente con área de intercambio e inversamente con grosor de membrana.- En alvéolos el grosor se reduce a un simple epitelio muy delgado y el área total es enorme.


vías aéreas superiores

•Humidificacin del aire•Llevar el aire a la temperatura corporal•Filtrar, limpiar el aire de partículas


TráqueaSISTEMA RESPIRATORIO

Tráquea

lum

en


Alveolos: el intercambio gaseoso se produce en los alveolos

Células tipo II surfactantes

>300 x 106 alveolossuperficie aprox. 100 m2

5-6 litros de aire

Células tipo I

Membrana respiratoria (0.2 μm)

Poro alveolar

SISTEMA RESPIRATORIOAlveolos

Cavidad Toráxica

diafragma

músculos intercostales

saco pleural

pleura visceral

pleura parietal

espacio intrapleural

Protege a pulmones + actividad de bomba

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 (CASOPATOLOGICO: PNEUMOTÓRAX)

REPOSO

INSPIRACION

ESPIRACION

Cambios de volúmen en la caja torácica duranteuna respiración tranquila

contracción de los músculos intercostales externos y diafragma

relajación de los músculos intercostales externos y diafragma

0

1

2

El aire se mueve por diferencias de presión entre la atmósfera y los alvéolosPatm > Palv : inspiraciónPatm < Palv : espiración

activa

pasiva

Cambios de volúmen en la caja torácica

Espiración Inspiración

ΔV

Ciclo respiratorio

Pres

ión

intra

alve

olar

(mm

Hg)

volu

men

de

aire

(l)

inspiracion espiracion

volúmenrespiratorio

Palv relativa a la Patm

tiempo

tiempo

Boyle: P.V = cte → P = cte/V

J = (Patm – Palv) / R

Ec Gral de Estado: P.V = n.R.T

- El aire se moverá según la diferencia entre Palv y Patm (por ley de flujo). La Pi.alv y Pi.pleu se expresan como diferencia Patm-Palv. - 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)

3 Presiones: atmosférica (constante: 760 mmHg), intrapleural e intraalveolar

reposo

Ciclo Respiración Tranquila

En respiración forzada la espiración es activa e intervienen músculos adcionales

-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 musculo liso.

- control extrínseco por sistema nervioso autónomo y médula adrenal.

- intrínseco por mediadores químicos locales.

- Broncodilatación y broncoconstricción

Compliance pulmonar = ΔVΔ (Palv. – Pi.pl.)

Palv – Pi.p. : presión transpulmonar

> c.p. → < W muscular para introducir un Vol. aire en pulmones

c.p. depende en forma inversa de la presencia de fibras elásticasde tejido conectivo en los pulmones y de la tensión superficialdel 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.


Alveolos. Surfactante

Los surfactantes interfieren en los puentes de H entre moleculas de agua, disminuyendo la tensión superficial

Es un fosfolípido: la dipalmitoilfosfatidilcolina

La tensión superficial es la fuerza tangencial que ejercen las moléculas de agua en la superficie para mantenerse unidas. Es una medida del W requerido para aumentar la superficie el líquido.

La Tsup tiende a “cerrar” la burbuja

d

F

T = F/d

Definicion de Tensión(membrana elástica)

Respirómetro

Inspiración profunda

Espiración profunda

ESPIROGRAMA

TV: volumen tidal (corriente) ~0.5 lERV: volumen de reserva espiratorio ~2.5 lIRV: volumen de reserva inspiratorio ~1.5 lRV: volumen residual (no se mide con espirómetro (si con He))IC: capacidad inspiratoriaVC: capacidad vital (VT+IRV+ERV) ~4.5 lVolumen muerto: 150 ml

La Capacidad Vital es la máxima capacidad de aire que pueden intercambiar los pulmones. Es uníndice clínico de la función pulmonar

VRM = 0.5 l x 12 min-1 = 6 l/ min

VAM = (0.5-0.15 l) x 12 min-1 = = 0.35 x 12 min-1 = 4200 l/min

VRM : volumen respiratorio por minuto

Para una respiración tranquila

VAM : ventilación alveolar por minutoVolumen muerto: 0.15 l

Regulacion Central de la Ventilación

El ritmo respiratorio está controladopor el sistema nervioso central tronco

cerebralcentro neumotáxico

centro de la actividad ritmica

respiratoria grupo respiratorio dorsal

grupo respiratorio ventral

Ritmo respiratorio

Protuberancia

Bulbo

Neuronas somáticas motoras

- nervio frénico: diafragma-nervios intercostales: músculos intercostales (estimulan a músculos respiratorios en forma cíclica)

respiración tranquila respiración con espiración activa

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.

No se detiene ritmo respiratorio: protuberancia no cumple papel fundamental, y además el centro que genera el patrón rítmico se encuentra debajo.

GENERADOR DEL PATRON CENTRAL DEL RITMO RESPIRATORIO GENERADOR DEL PATRON CENTRAL DEL RITMO RESPIRATORIO (CPG: central pattern generator)

Dos hipótesis:- H1: ciertas neuronas del CPG tienen actividad de marcapasos.- H2: Interacciones entre redes neuronales (neuronas con feedback (-) y atenuación).

-

-

INTERCAMBIO GASEOSO EN ALVEOLOS

Intercambio gaseoso

mercurio, Hg

presiónatmosférica

760 mm

Aire contiene (mm Hg) :

N2 79% 568.0O2 20.93% 160.0CO2 0.03% 0.3H2O variable

760 mm Hg = 1 atm

Intercambio gaseoso

Pero respiramos aire, que es una mezcla de gases …………

pa = xa . PTpb = xb . PTpc = xc . PT

Ley de Dalton

para una mezcla del gas a, b y c

Ptotal = Pa + Pb + Pc

Intercambio gaseoso

xi = ni / nT

Por ejemplo para O2: 760 mm Hg x 0.21 = 160 mm Hg

Pi = niRT / VEsto supone idealidad en cada gas y en la mezcla: Gases diluídos se aproximan

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 O2Se necesita un sistema muy eficiente (gran superficie de intercambio)

El intercambio de O2 y CO2 se da entre una fase gaseosa y otra líquida

Intercambio gaseoso

AireAlveolar

Sangre capilar

Capa de aguaalveolar

O2 (g)

CO2 (g)

O2 (s)

CO2 (s)

O2 (s)

CO2 (s)

Ley de Henry: [a]liq = k pa

Ley de Henry: C = k pa

aire

plasma

PO2 =100 mm Hg

[O2] = 0.15 mM

PO2 =100 mm Hg

PCO2=100 mm Hg

[CO2] = 3 mM

PCO2=100 mm Hg

en equilibrio

Molar gas volume: 22.4 litros

3 ml O2 / l plasma 67 ml CO2 / l plasma

oxígeno dióxido de carbono

el CO2 es 20 veces más soluble en H2O que le O2

Algo de Sistema Circulatorio y Sangre

circulaciónpulmonar

circulaciónsistémica

arteria pulmonar vena pulmonar

vena cava

aorta

capilaressangre oxigenadasangre deoxigenada

SISTEMA CIRCULATORIO

Composición(8% del peso corporal, (4-7 litros))

Plasma55%

Células45%

eritrocitosleucocitos

H2O 90% K+, Na+, Cl+, Ca2

O2, CO2

proteínas (8%): pH= 7.4

SANGRE

médulaosea

Transporte de O2 & CO2

Forma facilita difusión de gases

Color x Hb

7.5 μm

Hematocrito humano:5 x 106/ml

Glóbulos rojosSANGRE

SANGRE

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

Funciones

Seguimos con Intercambio Gaseoso

Atmosfera160 / 0.3

alveolo100 / 40

vena pulmonar100 / 40

vena sistémica(sangre venosa mezclada)

(en reposo) 40 / 46

tejidos<40 / >46

arteria sistémica100 / 40

arteria pulmonar40 / 46

O2CO2 Presiones parciales en el sistema circulatorio

(en mm Hg)

Intercambio gaseoso

En promedio los tejidos del organismo humanoconsumen 250 ml O2/min y producen 200 ml de CO2 en reposo (estas cantidades exactamentedeben ser repuestas/eliminadas en pulmones)

SangreOxigenada

SangreDeoxigenada

Aire alv remanente en resp tranq > 3l, y vol tidal- vol muerto 0.35 l.

J = D [O2]alv – [O2]sangreΔx

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)

(es 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

LAS 3 VARIABLES QUE DETERMINAN EL FLUJO SON EL GRADIENTE DE CONCENTRACIÓN, LA PERMEABILIDAD DE LA PARED ALVEOLO CAPILAR Y LA SUPERFICIE DE INTERCAMBIO

250 ml /min O2

vena pulmonar100 mm Hg

Atmósfera160 mm Hg

5000 ml sangre/min15 ml O2 / min

3 ml O2 /litro sangre

Intercambio gaseoso

HEMOGLOBINA

Intercambio gaseoso

PO2 =100 mm Hg

[O2]sol = 0.15 mM

Hb Hb.O2

O2 (sol)

Intercambio gaseosoHemoglobina

Plasma Hb Sangre total

mm Hg 100 -------- -------

mM 0.15 9.85 10

ml 3 197 200

O2 en sangre oxigenada arterial

Hb.O2 no contribuye a PO2 (determinante de J)pero PO2 es una función de Hb.O2

Hb: deoxihemoglobinaHb.O2: oxihemoglobina

PO2 = O2 libre en solución

Contenido de O2 = O2 disuelto + Hb.O2

Transporte de oxígeno alvéolo-capilar

O2

O2 Hb

Hb.O2

alveolopulmonar

Intercambio gaseoso

Hb + O2 Hb.O2(por ley de acción de masas)

aumenta PO2 en eritrocito (por difusión)

Hb.O2Hb

O2

O2

capilares sistémicos

Transporte de oxígeno capilar-tejidosIntercambio gaseoso

Hb + O2 Hb.O2

disminuye PO2 (por difusión)

(por ley de acción de masas)

O2

satu

ratio

n

PO2 saturation mmHg

Reacción hemoglobina - oxígeno.

Hb Hb.O2 Hb.(O2)2 Hb.(O2)3 Hb.(O2)4

O2 O2 O2O2

Este proceso es reversible (toma O2 en pulmones y cede O2 en tejidos

Hb 100%saturada

descarga en reposo

venas sist. arterias sist

Queda como reserva para mayores demandas

- 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)

Hay factores que producen Cambios de Afinidad de Hb para O2

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)

4 factores fisiológicos

-Temp

- pH

- PCO2

- 2.3 DPG

promueven en cond.norm. descarga de O2en tejidos y captación de O2 x Hb en pulmones

Promueve entrega de O2 en tejidos en situaciones de bajos niveles de O2 en sangre

La temperatura afecta la interacción Hb-O2

Intercambio gaseoso

Tejidos: a > Tasa metabolica → > T local → < afinidad

Pulmones: en venas sistemicas → < T → > afinidad → > captura de O2

El pH afecta la interacción Hb-O2Efecto Bohr

Intercambio gaseoso

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

El aumento de CO2 también favorece cesión de O2 por Hb.O2 en forma independiente a pH

PCO2 afecta la interacción Hb-O2Efecto Carbamino

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

⇑ tasa metabólica

⇑ Temp - ⇑ CO2 - ⇓ pH

hemoglobina⇓ Afinidad O2-Hb

⇑ liberación O2 a tejido

El 2,3-difosfoglicerato afecta la interacción Hb-O2

Intercambio gaseoso

-2.3 DPG es un derivado de la glucólisis

- condiciones normales: si Hb.O2es alto 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 O2para tejidos

capilares sistémicos

Transporte de dióxido de carbonoIntercambio gaseoso

PCO2 DE PLASMA SE MANTIENE RELATIVAMENTE BAJA, FAVORECIENDO QUE SIGA DIFUNDIENDO CO2DE TEJIDOS A LA SANGRE.

EL TRANSPORTE DE HCO3- A PLASMA FAVORECE

QUE CO2 + H2O CO3H2 NO LLEGUE NUNCA AL EQUILIBRIO

CO2 + H2O H2CO3

anhydrasacarbónica

HCO3- + H+

Hb Hb.CO2

CO2

Distribucióndel contenidode CO2

HCO3-

(87-90%)

Hb-CO2(5-7%)

CO2(5-6%)

carbaminohemoglobina


En tejidos se desplaza en este sentido


CO2 + H2O H2CO3

anhydrasacarbónica

HCO3- + H+

En pulmones se desplaza en este sentido

Efecto HaldaneAl 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

Quimiorreceptores: señalización para los centros del control respiratorio

REFLEJO QUIMIORRECEPTOR

Arteria carótida

cuerpo carotideo

glomus


catecolaminas

REFLEJO QUIMIORRECEPTORLas células glomus son sensibles a los niveles de O2 y pH (funcion de CO2)

corriente de K+ sensible a O2



⇓ O2 y/o ⇓ pH en cuerpo carotideo

⇑ frecuencia disparo del nervio del seno carotideo

Neuronas del grupo respiratorio dorsal

⇑ Ritmo respiratorio

Sistema Respiratorio

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