Universidad Nacional del SantaFacultad de Ciencias

Departamento Académico de Biología, Microbiología y Biotecnología

Fisiología del Sistema Respiratorio

Biól. Pesq. Eliana Zelada Mázmela

Biól. Acuic. Carmen Yzásiga Barrera

Fisiología de la Respiración

NADH+H

Torre de electrones

OxígenoTan importante como alimento

Respiración

La respiración está compuesta por:

• Captación del oxígeno del medio ambiente

• Utilización

• Producción de CO2 .....

CO2

Fases de la respiración:

a) Respiración externa Respiración externa

b) Transporte de gases Respiración interna

c) Respiración interna Respiración celular

Sistema global de transporte de gases en un vertebrado

Estudio de Gases

Atmósfera: 78,09 % N 20,95 % O2 0,03 % CO2

Ne, Xe, Kr = 0,002 %

N2 = 79,02 O2 = 20,95 C O2 = 0,03 + V H2O

Cada uno de ellos, representa una fuerza, cuya sumatoria determina la PRESION ATMOSFERICA

Vapor de agua: Contenido de agua de la atmósfera, depende de la Tº, constituye la humedad relativa con su respectiva presión

Leyes de los gases

Ley de Dalton: O de las presiones parciales, establece que cada gas en una mezcla, contribuye a la Presión total, en proporción directa a su % en la composición

Px = X P donde: P = PT de la mezcla

100 X = % volumen del gas

PO2 = 20,95 x 760 = 159,16 mmHg = 0,2095 atm

100

Pero como quiera que en la PT, también participa el vapor de agua, cuya presión depende de la temperatura hay que restar ese valor de la PT y luego reemplazarlo en PO2

760 - 55,09 = 704,91

PO2 = 20,95 x 704,91 = 147,67 mmHg = 0,195 atm

100

PCO2 = 0,0003 PN2 = 564

Esto se relaciona con el buceo, porque a partir de ciertas presiones parciales, los gases son tóxicos.

El N, pasa a ser tóxico a una presión parcial que va entre los 4 y 5,5 atm. La hiperoxia , se presenta a partir de una presión parcial de entre 1,8 a 2 atm:

(5 x 80)/100 = 4 atm de presión parcial

A 40 m de profundidad = 5 atm

(5 x 20)/100 = 1 atm de presión parcial

En buceo deportivo es imposible tener problemas con la toxicidad del oxígeno a causa de su presión parcial, ya que la toxicidad, se daría a partir de 85 ó 90 metros.

90 metros = 10 atm(10 atm x 20)/100 = 2 atm de presión

parcial

Una masa de gas, incrementa en 1/27315 veces aproximadamente a 0ºC por cada •C de incremento de Tº

V = Tº

V1 T1º pc

Ley de Gay Lussac- Charles: A una presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional con la Tº.

Coeficiente de solubilidad de Bunsen

V = P . a

Ley de Henry: La cantidad de gas que se disuelve, es proporcional al coeficiente de solubilidad y a la misma presión del gas

Demostró que la cantidad de gas que se disuelve en un líquido aumenta con la presión, a más profundidad más presión y más disolución. Más gas es absorbido, y a través de la sangre, pasa a los tejidos.

Ley de Boyle: Si la masa y la Tº se mantiene constante, el volumen de un gas es indirectamente proporcional a la P.

V = P1

V1 P mc Tºc

Esta ley demostró la compresibilidad de los gases. Es demostrable cuando las burbujas de aire que salen de un regulador al espirar aumentan de tamaño a medida que suben a superficie. El motivo es la disminución de la presión. Esto quiere decir que a más profundidad el volumen del gas disminuye y viceversa.

Ley de Henry: + presión = + disolución de gas = + absorción

Ley de Boyle-Mariotte: + presión = - volumen y viceversa

Ley de Dalton: + presión = + presión parcial = + toxicidad de los gases

Consideraciones Generales• El O2 y el CO2 se transfieren pasivamente por

difusión a través de las superficies corporales: piel y epitelios respiratorios .

• La velocidad de transferencia depende de:Donde: D = coeficiente de penetración

A = Área disponible

X = Distancia de difusiónPara facilitar la velocidad de transferencia del gas para una diferencia de concentración dada, debe haber la mayor área posible y la distancia de difusión tan pequeña como sea posible• Las necesidades de O2 y la producción de CO2 de un animal, aumentan en función de su masa, mientras que la tasa de transferencia de gases a través de las superficies está relacionado con el áreaEl área de una esfera

aumenta respecto al cuadrado de su 0

El volumen lo hace respecto al cubo del 0

M = DA (a1 – a2)

X

Las distancias de difusión son muy cortas y la relación S/V son grandes. Por ello la difusión por sí sola es suficiente para el transporte de gases

Produce un incremento en las distancias de difusión y un descenso de la relación S/V. En estos animales se mantiene una relación S/V alta, debido por la presencia de áreas especiales para el intercambio de gases.Toda la superficie corporal

Superficie respiratoria especializada

El estancamiento del medio cercano a la superficie respiratoria se logra con movimientos de aire o agua. En los animales mayores se ha desarrollado un sistema circulatorio, que provee de O2 y extrae de CO2

de los tejidos

DIFUSIóN

Ley de Fick:

Vg =. Dg x A (Palv - Pcp)d

DL

donde: A = área de superficie totalDg = coef. de difusión del gasd = distancia recorrida

DL = 25 ml/ min/ mm Hg

Limitado por PerfusiónTRANSFERENCIA DE GASES

TransporteTransporte de Ode O2 2 en en sangresangre

Ley de Graham de la difusión: la velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a su densidad ( d ). Como d depende de su PM d PM

• Difusión del O2 en el aire es 3 000 000 más que en el agua, ya que el agua es 800 veces más densa que el aire

• CO2 es 25 veces más

Sustancia Constante de difusión

Aire 11,0

Agua 0,000034

Músculo 0,000014

Sólo si el animal midiera 1 mm, la difusión fuera totalmente adecuada. Sin embargo, aún en animales grandes a pesar de las superficies vascularizadas, la difusión es el mecanismo básico de transferencia de gases

PROCESOS FISICOS RESPONSABLES DE LA RESPIRACIÓN

DIFUSIÓN: Es el movimiento de moléculas de un gas de una alta concentración a una baja concentración de acuerdo a sus presiones parciales individuales.

CONVECCIÓN: Es el movimiento de un gas de una alta concentración a una baja concentración en función del movimiento del medio en que se encuentra dicho gas.

En el pulmón:CONVECCIóN : MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2)

En la membrana alveolo-capilar:DIFUSIóN : MO2 = DL (PAO2 – PaO2)

En la sangre:CONVECCIóN : MO2 = Vsang (CaO2 – CvO2)

En los tejidos:DIFUSIóN : MO2 = DT (PcO2 – PtO2)

Variables del intercambio gaseoso

Variables del intercambio gaseoso

CONVECCIóN: MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2)

MO2 = masa de O2; Vaire = volumen de aire; CiO2 = concentración de O2 en aire inspirado; CeO2 = concentraciónde O2 en aire espirado.

Afectado por: resp/min, volumen corriente, espacio muerto.

DIFUSIóN: MO2 = DL (PAO2 – PaO2)

DL = capacidad de difusión del pulmón; PAO2 = presión de O2 en aire alveolar; PaO2 = presión de O2 en sangre arterial.

Afectado por: área de superficie, volumen capilar, espesor de la pared alveolar, concentración de Hb.

Solubilidad de gases en líquidos: Cualquier gas es soluble en cualquier líquido en alguna proporción. Dependerá de :

a) Gas en el aire

b) Temperatura: disminuye al aumentar la temperatura

c) Presión

d) Grado de solubilidad del gas

Gases

calor

Cuanto mayor es la temperatura menor posibilidad de liberar calor tendrá y por lo tanto menor será su solubilidad

Pigmentos Respiratorios

• El O2 difunde a través de los epitelios respiratorios hasta la sangre y se combina con pigmentos respiratorios, e incrementa su contenido de oxígeno.

aire

Sin la existencia de los pigmentos respiratorios, el contenido de O2 en la sangre sería bajo y aumenta directamente con la pp gas:

- 0,003 ml/100 ml plasma a 1mmHg

- 0,3 ml/100 ml a 100 mmHg de presión alveolar

- 0,003 x 760 = 2,28ml/100 ml

Pero en realidad es de 20 vol %, es decir un incremento de 70 veces

En sangre humana a 95 mm Hg = 2,4 x 95/760 = 0,3 ml O2/100 ml = 0,3 vol%

. Cada g Hb disuelve 1,34 ml oxígeno

CUADRO COMPARATIVO DE PIGMENTOS RESPIRATORIOS

Pigmento respiratorio

Metal Color

Hemoglobina Fe++ Rojo

Hemocianina Cu++ Azul

Hemeritrina Fe++ Rojo

Clorocruorina Fe++ Verde

Hemoglobina: Es el pigmento respiratorio de los vertebrados y crustáceos entomostracos

La excepción es el pez antártico del hielo que carece de Hb, pero compensa con mayor volumen de sangre y mayor gasto cardíaco

                                                                

Antartic fish troutTasa de captación < que las de su mismo habitat con Hb

Probablemente las bajas temperaturas han sido un factor importante en la evolución de estos peces

A excepción de los ciclóstomos, la Hb tiene un PM de 68000 daltones

Contiene cuatro grupos prostéticos de Fe porfirínico hemo unido a la proteína globina

Dos cadenas alfa

Dos cadenas beta

Grupo hemo

Hb: proteína alostérica

• Tiene más de un sitio (4) de unión al ligando.

• Alosterismo cooperativo: la unión del 4° ligando es más fácil que la del 1°, gracias a un cambio conformacional en la molécula.

Hb: proteína alostérica

• La unión con el O2 ocurre debido a pequeños cambios en la estructura terciariade los segmentos cerca del HEM y un gran cambio en la estructura cuaternaria.

• Cambio de la forma T (desoxiHb, tensa) a R (HbO2, relajada).

La mioglobina es equivalente a una subunidad de Hb, es decir una cadena y su grupo hemo, y es el pigmento respiratorio que almacena O2 en los músculos de los vertebrados

Hb sin O2, el Fe está en estado ferroso desoxihemoglobina

Hb con O2, el Fe está en estado ferroso oxihemoglobina

Las diferencias están relacionadas con diferencias estructurales de la globina y no a un cambio en el estado del fierro

Cuando el hierro pasa al estado férrico metahemoglobina

Esta formación sucede normalmente, pero los eritrocitos presentan la metaHbreductasa que cataliza la conversión al estado ferroso funcional

Nitritos y cloratos actúan oxidando al Fe, así como inactivando la metaHbreductasa

Hb saturada con CO carboxiHb (CO 200 veces más afín que O2)

  

Desoxihemoglobina

Oxihemoglobina

Metahemoglobina

Modificación estructural de la Hb

Hemocianina: Es el transportador de oxígeno en la sangre de muchos invertebrados: gasterópodos, cefalópodos y crustáceos malacostracos. En los cefalópodos, transporta más del 90% del oxígeno que cede al pasar por los tejidos, reoxigenándose nuevamente en las branquias. No contiene grupos hemo, a pesar de su nombre.

Es una proteína de muy alto peso molecular, del orden d 105 a 106, siendo el P.M. de la subunidad de 60000 a 73000 Da, según las especies de que proceda, está constituida por varias subunidades, que pueden ser 6 o múltiplos de 6.

Cada subunidad posee dos iones Cu2+ , pudiéndose unir cada par a una molécula de oxígeno.

La forma desoxigenada es incolora y las oxigenada es azul 

Cu (I) Cu (II)

Los nitritos difunden en la hemolinfa, causando una disminución en los niveles del hemocianina, incrementan el nivel de deohemocianina, causando un incremento en la pO2 y p50, indicando afinidad reducida

Hemocianina cristalizada

En crustáceos no está dentro de células, por lo que tiende a agregarse, lo que conduce a un incremento en su concentración, pero sin el correspondiente efecto en la osmolaridad.

Se origina en hemocitos: cianoblastos y al “madurar” estas estructuras liberan la liberan a la hemolinfa.

Molécula de hemocianina

Hemoeritrina: No presenta grupos hemo, es decir el Fe está unido directamente a la proteína. PM = 13500 – 13900 Da (100000)

Presente en organismos primitivos: sipuncúlidos, anélidos, priapúlidos y braquiópodos.

La estructura cuaternaria más común es la octamérica, con 2 Fe por subunidad. No presenta efecto cooperativo

Puede oxidarse químicamente en ausencia de oxígeno: metahemeritrina

Se encuentra dentro de células: celomocitos

La forma desoxigenada es incolora y oxigenada es rojo-violáceo

2 Fe II 2Fe III 1 O2

Clorocruorina: Es una variante de la Hb, presentando una estructura semejante con la variante de que un grupo vinilo está reemplazado por uno formilo lo que le da el color verde, en estado oxigenado y desoxigenado.

Está hecha de 12 subunidades, cada una combina con una molécula de O2

Se encuentra en dos familias de poliquetos: Serpulidae y Sabellidae

Presenta una alto efecto Bohr, es decir exhiben una baja afinidad para el O2

Presenta mayor efecto cooperativo comparado con la HB

Micrografía electrónica de lo clorocruorina

Hb

O2O2

O2O2

Si todos los lugares están ocupados, la sangre está saturada al 100% y el contenido de oxígeno de la sangre es igual a su capacidad

1 mmol hemo se puede unir a un mmol de O2 volumen 24,2 mmol O2

La sangre humana presenta 0,9 mmol hemo/100 ml sangre

La capacidad de O2 será por lo tanto de: 0,9 x 24,2 = 20,2 vol % O2

Incluye el unido a la Hb como al disuelto en el plasma

Transporte de Oxígeno por la sangre

Depende de la presión presión parcial del gas

O2 disuelto

O2 combinado con Hb

O2 total

0 20 40 60 80 100 600

Po2 mmHg

100

80

60

40

20

0

Sat

(%)

Hb

22

18

14

10

6

2

C

de

O2

ml/100ml

Saturación de la Hb por el O2

• El porcentaje de saturación es el % o grado de ocupación de grupos Hem unidos a O2

Sat = Contenido de O2 en la Hb x 100

Capacidad de O2

• Sat. arterial = 99 - 97% PaO2 = 100mmHg

• Sat. venosa = 75% Pv02 = 40mmHg

Capacidad de O2 aumenta en proporción a la concentración Hb

Para comparar sangres con diferentes contenidos de HB se usa el porcentaje de saturación

Expresa el contenido O2 de como una fracción porcentual de su capacidad. Para ello se usan las curvas de disociación, que relacionan el porcentaje de saturación y la presión parcial del gas.

Existen dos tipos de curvas: hiperbólica y sigmoidea:

Hiperbólica: propia de organismos sedentarios, donde la Hb presenta gran afinidad por el oxígeno. La presencia de solo 1 heme significa la no necesidad de cooperar y la pendiente elevada de la curva.

Sigmoidea: Propia de Hb con cuatro grupos hemo, su forma

justifica el grado de cooperatividad entre sus subunidades. Que significa que la facilidad con la que el O2 se une a la Hb dependerá si ya uno está unido, lo que ocurre cuando hay alto O2

en el medio. Esta cinética permite que se cargue en los pulmones y se decargue en los tejidos donde hay poco O2. Presenta poca afinidad para el O2 .

Curvas de disociación

Significado fisiológico de la forma sigmoide de la curva

Critical PO2

V

Por debajo de una PO2 de 60 mmHg, la curva presenta una pendiente pronunciada y equivale a la presión de los tejidos, en la cual la Hb se descarga de la sangre.

La PO2 igual a 40 mmHg, descarga el 25% de su oxígeno, la que se queda unida constituye una reserva que puede ser sustraída en emergencias

Transporte de O2 en la Hb

• 4O2 + Hb4 Hb4 (O2) 4 reacción reversible

• Hb se combina con 4 moléculas de oxígeno

• 2 formas: Oxihemoglobina (forma R) y Desoxihemoglobina (forma T)

• Forma de transporte muy eficiente

Una propiedad importante de los pigmentos respiratorios, es que el O2 puede unirse reversiblemente a ellos por encima de los intervalos de presión que se dan normalmente en un animal

A presiones bajas sólo una pequeña cantidad se une al

pigmento

A altas presiones, se combina una gran cantidad del gas

A causa de esta característica, el pigmento puede actuar como molécula transportadora, cargándolo a nivel de branquias o pulmones y descargándolo a nivel de tejidos.

Esto es importante en animales que viven en habitats con bajas concentraciones de oxígeno, ya que libera el gas, sólo cuando las presiones parciales del gas están relativamente bajas, actuando de esta manera como reservorio (mioglobina) se puede hablar entonces de las diferentes afinidades que tiene el oxígeno por la Hb

Eso significa que el O2 debe ser cargado, transportado y descargado

Carga y la pO2 a la que ocurre

Descarga y la p O2 a la que ocurre

TSAT= Tensión de carga, presión O2 a la cual la Hb está saturada en 95%

T1/2 SAT = Tensión de descarga, presión del O2 a la cual la Hb está saturada en 50% con O2 y 50% con CO2. Hb con baja afinidad tienen T1/2 SAT altos y con gran afinidad T1/2 SAT bajos

Sangre desoxigenada que

regresa de los tejidos

Sangre oxigenada que abandona los

pulmones

20

60

100

140

INSP ALV ART CAP VEN-M

Gradiente de presión de O2 del ambiente hastalos tejidos.

PO

2

(mm

Hg

)

40 mmHg

N de Hill = 3 (O2 liberado 80%)

logPO2 mm Hg

Log (SatO2/1-Sat02)

n

log P50

La unión cooperativa del oxígeno a la hemoglobina es un ejemplo de lo que se denominan efectos alostéricos. En la unión alostérica, la unión de un ligando por una proteína influye en la afinidades de los restantes lugares de unión sin ocupar. Los ligandos pueden ser de la misma clase, como en el caso del oxígeno en la hemoglobina, o pueden ser diferentes. El alosterismo es un mecanismo importante de regulación de la actividad enzimática.

                                                                                                    

                   

Transporte de los gases en la sangre

                                                                  

Efecto Bohr: Desde el punto de vista funcional, la Hb debiera tener una baja afinidad por el oxígeno en los tejidos y una afinidad más alta a nivel de las superficies respiratorias.

Esto es importante, ya que esa afinidad se ve afectada por ciertas condiciones que se presentan a nivel de los tejidos y que permiten que la Hb presenta bajas afinidades para el O2 y por lo tanto lo cedan.

El término efecto Bohr se utiliza para describir el efecto del pH sobre la afinidad Hb - O2 .Radica en la globina e inicialmente se dio por efecto de un incremento del CO2 en los tejidos, lo que ocasiona un desvío de la curva más a la derecha. También lo causa la subida de Tº

TejidoSangre

H+H+ H

+

Hb-O2

CO2

Compuestos carbámicos

Hb(O2)4+ nH+<–––––>Hb(H+)n+ 4O2 .(n di poco > 2)  

Es más notorio en animales pequeños que grandes y entre los animales es más notorio en los peces.

Dura 0,12 seg a 37ºC, eritrocitos de anguila tienen el mismo tiempo medio a 15ºC ambas especies han desarrollado velocidades de reacción similares a Tºs diferentes.

Alveólo O2

CO2

Efecto Bohr inverso

N de Hill = 3 (O2 liberado 80%)

logPO2 mm Hg

Log (SatO2/1-Sat02)

n

log P50

Log (SatO2) = log K + n log PO2

(1-SatO2)

A SatO2 = 50%log 0.5 = 0

1- 0.50 = logK + n log P50Log K = - n log P50

A < n ; < cooperatividad

P50

Factores que modifican la afinidad de la Hb oxigenada

• La concentración de iones hidrógeno, [H+]

• La presión parcial de gas carbónico, PCO2

• La Temperatura

• [2,3-DPG]

Caso especial: CO

Efectores de la Curva de Disociación de la Hb O2

• PCO2, [H+] y 2-3-DPG• Se unen a la desoxiHb y estabilisan la

estructura T, disminuyendo la afinidad.• Todos los efectores se unen en diferentes

lugares de las cadenas y , pero pueden competir por un mismo sitio.

• T°, debilita la unión entre la Hb y el O2. Reacción exotérmica (H=-11 kcal/mol).

Factores que afectan Factores que afectan la la afinidad afinidad de la de la hemoglobinahemoglobinaporporel el oxígenooxígeno:: Efecto Efecto del pH y el del pH y el dióxido dióxido de de carbonocarbono Efecto Efecto de la de la temeperaturatemeperatura Efecto Efecto del 2,3 DPGdel 2,3 DPG OtrosOtros::

AnemiaAnemia MetahemoglobinaMetahemoglobina MioglobinaMioglobina CianosisCianosis

Disociación HemoglobinaDisociación Hemoglobina

Efecto Bohr y efecto Bohr inverso

Efecto Root: En algunos peces, cefalópodos y crustáceos, el aumento en la concentración de CO2 o pH provoca además una disminución en la capacidad de oxígeno. En las Hb que presentan efecto Root estos factores reducen el grado de combinación del O2 con la Hb e incluso a presiones altas del gas, sólo algunos de los lugares están oxigenados. En animales acuáticos, el problema se agudiza por el incremento de la temperatura, la cual disminuye la solubilidad del O2 y también la afinidad de la Hb por el O2 y haciendo más difícil la transferencia de oxígeno entre el agua y la sangre. Además esto ocurre cuando por el incremento de T• las necesidades metabólicas son mayoresEn algunos vertebrados, los eritrocitos

presentan 2-3 difosfoglicerato (DFG), que se unen a la cadena beta la afinidad de la Hb. La reducción de niveles de O2 en sangre, pH y Hb en sangre, van acompañadas de un de DFG a grandes altitudes, donde la pérdida de afinidad favorece a los tejidos pero desfavorece la captación a nivel alveolar. En peces el ATP de los eritrocitos tiene mayor efecto que el DFG incrementando el efecto Bohr

Efecto Bohr y HaldaneEfecto Bohr y Haldane

TejidosTejidos PulmónPulmón

Transporte de Anhidrido Carbónico

El CO2 difunde de los tejidos a la sangre y a través de las superficies respiratorias hacia el ambiente.

La mayor cantidad de CO2 está en el plasma pero la mayor parte de la que entra y sale de la sangre está en el eritrocito.

90%

10%

anhidrasa

Del 90%:

63% se une al agua y forma ácido carbónico: H+ + HCO3

05% se mantiene molecularmente disuelto

21% se une a la Hb y forma carbaHb

Del 10%:

05% se hidrata lentamente

05% va como CO2 disuelto

< 1% se une a proteínas: carbamidas

Plasma Cl-

La proporción entre CO2 y H2CO3: 1000:1

Entre CO2 y HCO3: 1:20 bicarbonato es la forma predominante en sangre.

Los carbonatos son despreciables en aves y mamíferos, pero en poiquilotermos alcanza un 5%

0,7 mol, desaloja al oxígeno (1 mol) unido a la Hb, atenuando olos cambios de pH por

hidratación del CO2 : Efecto Haldane

Es bufferado por la Hb

En capilares alveolares, la anhidrasa se encuentra en la pared capilar y actúa sobre el plasma permitiendo una rápida deshidratación del HCO3Las velocidades de reacción de los dos gases es muy rápida no resulta un factor de importancia en la transferencia los animales no realizan ningún ajuste en estas velocidades para regular la velocidad del intercambio gaseoso

Las variaciones se ajustan por un ajuste en la frecuencia y volumen ventilatorio o por ajuste en la distribución y velocidad del flujo de sangre a los tejidos y en la superficie respiratoria.

En peces, la Hb juega un rol importante en el transporte de CO2 formándose poco compuesto carbámicos a diferencia de mamíferos, ya que en la Hb de los peces solamente se acetilan alfa AA en la cadena B, compitiendo con compuestos fosforados.

En las branquias, así como ocurre el efecto Bohr inverso, los protones son proporcionados por la HB para deshidratar el HCO3 efecto Bohr protons

Carbon Dioxide Transport

10 % dissolved in blood

30 % bound to Hb Carbaminohemoglobin

60 % as bicarbonate HCO3-

In red blood cells (Buffer)

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

Carbonicanhydrase

Ext. arterial Ext. venoso

PCO2= 40 mmHg

47 mmHg

48 mmHg48 mmHg PCO2= 47 mmHg

TransporteTransporte de COde CO22

¡Estudie como si fuera a vivir toda la vida!