Dopo la ventilazione alveolare, il passaggio successivo del processo respiratorio consiste nella diffusione dell O2 dagli alveoli al sangue e della

Transcript

1 Dopo la ventilazione alveolare, il passaggio successivo del processo respiratorio consiste nella diffusione dell O2 dagli alveoli al sangue e della CO2 in direzione opposta. R = quoziente respiratorio, è il rapporto tra CO 2 prodotta e O 2 consumato. Dipende dal contenuto nella dieta di lipidi, carboidrati e proteine, che determinano la quantità di CO 2 prodotta per un dato numero di molecole di O 2 consumate. R = 0.8

2 Quoziente respiratorio Indica l O2 necessario per ossidare un macronutriente. È differente per eguale quantità di carboidrati, proteine, grassi. Fornisce indicazioni sul substrato energetico ossidato (utilizzato a fine energetico). È necessario conoscere il volume di ossigeno consumato e di anidride carbonica prodotta. QR = CO 2 / O 2 QR CARBOIDRATI C 6 H 12 O O 2 6CO H 2 O + ATP QR = 6CO 2 / O 2 = 1 QR LIPIDI C 16 H 32 O O 2 16CO H 2 O + ATP QR = 16CO 2 / 23 O 2 = 0.7 QR PROTEINE C 72 H 112 N 2 O 22S + 77 O 2 63 CO H 2 O + SO CO(NH 2 )2 + ATP QR = 63CO 2 / 77 O 2 = 0.82

3 Equivalenti calorici

4 L aria che respiriamo è una miscela di gas, principalmente costituita da O 2, N 2 e CO 2. La velocità di diffusione di ciascuno di questi gas (quantità di gas che diffonde nell unità di tempo) è direttamente proporzionale alla pressione che esso avrebbe se considerato singolarmente, cioè alla pressione parziale del gas.

5 Legge di Dalton Legge dei gas ideali PV=nRT La pressione parziale esercitata da un gas contenuto in una miscela gassosa è direttamente proporzionale alla sua concentrazione percentuale nella miscela stessa. Pgas = %gas. P miscela L aria a livello del mare ha P = 760 mmhg, con la seguente composizione 20.84% O 2 po 2 = 159 mmhg 78.62% N 2 pn 2 = 597mmHg 0.04% CO 2 pco 2 = 0.3 mmhg

6 L aria che entra nelle vie aeree viene umidificata fino a saturazione. Il vapore acqueo, alla temperatura corporea, esercita una pressione parziale di 47 mmhg. Poiché la P totale è sempre 760 mmhg, la pressione parziale degli altri gas diminuisce. Aria inspirata Pgas = %gas. (P miscela-ph 2 O) po 2 = 149 mmhg pn 2 = 563 mmhg pco 2 = 0.3 mmhg

7 Le P dei gas nell aria alveolare sono differenti da quelle dell aria inspirata. Ad ogni atto respiratorio, 350 ml di aria atmosferica si diluiscono in un volume (CFR) di 2300 ml (il lento rinnovamento dell aria alveolare è fondamentale per prevenire improvvisi cambiamenti delle concentrazioni dei gas nel sangue). A livello alveolare l O 2 viene continuamente prelevato dal sangue e CO 2 passa continuamente dal sangue all alveolo Aria alveolare: po 2 = 100 mmhg pco 2 = 40 mmhg

8

9 La po 2 e pco 2 alveolari dipendono dalla ventilazione alveolare Ipoventilazione Iperventilazione P alveolare gas (mmhg) Ventilazione normale 4.2 l/min Ventilazione alveolare l/min

10 Legge di Henry Cgas in soluzione = Pgas x coefficiente di solubilità (α). La CO 2 è 23 volte più solubile dello 2

11 Gli scambi gassosi

12 Sangue venoso Sangue arterioso A = superficie di scambio Secondo la Legge di Fick F = P. A. D d D = coefficiente di diffusione α/ PM d = distanza di diffusione, spessore membrana respiratoria

13 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 pao 2 = 100 mmhg pvo 2 = 40 mmhg pao 2 = 100 mmhg P v P A L O 2 diffonde dall alveolo al plasma e da qui nel globulo rosso, dove si lega all Hb. La velocità di legame dell O 2 con Hb determina la velocità con cui viene raggiunto l equilibrio tra po 2 alveolare e po 2 nel sangue. 0 Inizio capillare Tempo (sec) Fine capillare La po 2 dipende dall O 2 fisicamente disciolto e non da quello legato all Hb

14 N 2 O P A P v O 2 CO Il raggiungimento dell equilibrio tra aria alveolare e sangue dipende dal legame del gas con Hb ed è tanto più ritardato quanto più alta è l affinità dell Hb per il gas. 0 Inizio capillare Tempo (sec) Fine capillare

15 45 P v Tempo di raggiungimento dell equilibrio tra sangue e aria alveolare per la CO Inizio capillare Tempo (sec) P A Fine capillare

16 La capacità di diffusione polmonare di un gas (Dp) è il volume di gas che diffonde in un minuto per un P di 1 mmhg. Valutata dall equazione di Fick: Vgas = P. A. D/d Dp = A. D/d Dp = Vgas / P Per il P è necessario considerare il P medio (11 mmhg per O 2 e 1mmHg per CO 2 ). DpO 2 = 21 ml/min/mmhg DpCO 2 = 200 ml/min/mmhg Aumenta durante l esercizio fisico perché aumenta area superficie di scambio per: Reclutamento capillari Dilatazione capillari già pervi

17 Sangue venoso Sangue arterioso Emoglobina Globulo rosso Plasma O 2 Endotelio Interstizio Cellula Anche a livello dei tessuti lo scambio dei gas avviene per diffusione: FO 2 = D. A. (po 2 capillari - po 2 tessuto) A = superficie di scambio, d = distanza tra capillare e tessuto Il numero dei capillari perfusi incide su A e d d max varia da organo ad organo: miocardio 13 µm, cervello 18 µm, muscolo 40 µm d

18 La disponibilità di O 2 per un tessuto dipende da: contenuto di O 2 nel sangue arterioso flusso ematico nel tessuto (perfusione) La po 2 del tessuto dipende dall equilibrio tra: disponibilità di O 2 quantità di O 2 utilizzata dai tessuti Il rapporto tra consumo e disponibilità di O 2 è detto: 2 Coefficiente di utilizzazione CaO 2 - CvO 2 CaO 2 po 2 intracellulare media = 23 mmhg Poiché per un normale metabolismo ossidativo è sufficiente una po 2 di 1-3 mmhg, quando po 2 > 1 mmhg, il fattore limitante per il metabolismo cellulare non è l O 2 ma la concentrazione di ADP

19 L apporto di O 2 ad un organo viene adattato al fabbisogno di O 2 principalmente tramite variazioni della perfusione. Il contenuto di O 2 nel sangue arterioso non può essere aumentato di molto con l iperventilazione poiché in condizioni normali la saturazione dell Hb è già 97% Estrazione di O 2 dal sangue arterioso Gli squilibri fra le necessità e la disponibilità di O 2 vengono definiti ipossie

20 150 P alveolare O 2 (mmhg) P alveolare CO 2 (mmhg) po 2 alveolare (100 mmhg) Consumo O ml/min Consumo O ml/min Ventilazione alveolare l/min Produzione CO ml/min Produzione CO ml/min pco 2 alveolare (40 mmhg) Ventilazione alveolare l/min po 2 alveolare è: direttamente proporzionale alla ventilazione, fino ad un limite (po 2 aria inspirata) inversamente proporzionale alla velocità di consumo O 2 pco 2 alveolare è: direttamente proporzionale alla velocità di produzione della CO 2 inversamente proporzionale alla ventilazione

21 Il trasporto di gas nel sangue

22 Il 97% dell O 2 trasportato nel plasma si trova chimicamente legato all Hb nei globuli rossi, solo il 3% è fisicamente disciolto Trasporto O 2 nel plasma Trasporto O 2 legato ad Hb Dipende dal Sangue disciolto 0.3 ml/100ml 19.4 ml/100ml Hb saturata al 97% Contenuto totale di O = 19.7 ml/100ml

23 Emoglobina (cromoproteina PM = ) 4 catene polipeptidiche: 2α e 2 non α (β, γ, δ) 4 gruppi eme (protoporfirine, 4 anelli pirrolici + Fe bivalente centrale) Adulto: 95% HbA α 2 β 2, 2-3% HbA 2 α 2 δ 2 Feto: HbF α 2 γ 2 Hb + 4O 2 Hb(O 2 ) 4 O 2 si lega all eme per ossigenazione (senza cambiamenti della valenza ionica): si forma Ossiemoglobina (HbO 2 ) La liberazione dell O 2 avviene per desossigenazione: si forma Desossiemoglobina

24 Concentrazione Hb = 15 gr / 100ml sangue 1 gr Hb lega 1.39 ml di O 2 (condizioni ottimali) 1 gr Hb lega 1.34 ml di O 2 (in condizioni reali, leggera presenza MetHb): Nel sangue arterioso la capacità massima di trasporto di O 2 è 20.4ml/ 100ml di sangue La quantità di O 2 legata all Hb cresce in rapporto alla po 2, seguendo una curva ad andamento sigmoide: Saturazione in O 2 = [HbO 2 ] / Hb totale

25 Curva di dissociazione dell ossiemoglobina Sangue arterioso Saturazione 97.5% = ml/100 5 ml O 2 / 100 ml ceduti ai tessuti in condizioni basali (25% dell intera capacità) Satura azione Hb % Sangue venoso condizioni basali Saturazione 75% = 14.4 ml/100 Sangue venoso intensa attività fisica Saturazione 25% = 4.5 ml/100 Vantaggi relazione Hb + O 2 Garantisce saturazione Hb >90% per riduzioni della po 2 alveolare fino a 60mmHg Permette una maggiore cessione di O 2 ai tessuti con piccole variazioni di po 2 P50 Tessuti Alveoli

26

27 Rilascio di ossigeno da parte dell emoglobina Intensità crescente di lavoro

28 L affinità dell Hb per l O 2 viene influenzata da: Temperatura ph pco 2 2,3-DPG

29 L aumento di T sposta la curva verso Ds (minore affinità dell Hb per O 2 ) La riduzione di T sposta la curva verso Sn (maggiore affinità di Hb per O 2 ) Saturazion ne Hb %

30 La riduzione di ph sposta la curva verso Ds (minore affinità dell Hb per O 2 ) L aumento di ph sposta la curva verso Sn (maggiore affinità di Hb per O 2 ) Saturazione % Hb

31 L aumento di pco 2 sposta la curva verso Ds (minore affinità dell Hb per O 2 ) La riduzione di pco 2 sposta la curva verso Sn (maggiore affinità di Hb per O 2 ) Saturazione % Hb

32 Effetto Bohr Le variazioni di affinità dell Hb per O 2 determinate da variazioni di pco 2 (effetto carbaminico) e di ph, sono alla base dell Effetto Bohr L effetto Bohr ha conseguenze sia sull assunzione di O 2 a livello polmonare che sulla sua cessione a livello tissutale. A livello polmonare l assunzione di O 2 è favorita dalla contemporanea eliminazione di CO 2 A livello tissutale la cessione di O 2 è favorita dalla contemporanea assunzione di CO 2

33 L aumento di 2,3-DPG sposta la curva verso Ds (minore affinità dell Hb per O 2 ) La riduzione di 2,3-DPG sposta la curva verso Sn (maggiore affinità di Hb per O 2 ) 2,3-DPG sintetizzato nei globuli rossi (glicolisi anaerobica). Saturazion ne % Hb Si lega alla catena β dell Hb e varia la sua affinità per O 2. Il suo effetto è legato anche ad un abbassamento del ph (anione indiffusibile con 5 gruppi acidi). La sua formazione è stimolata da bassi livelli di ossiemoglobina (anemia altitudine)

34 HbCO aturazione % Sa HbO 2 Il monossido di carbonio (CO) si lega all Hb sullo stesso sito per O 2 con un legame 250 volte più stabile

35 Contenuto arterioso O 2 O 2 disciolto O 2 legato Hb Influenzato da: % Saturazione Hb Numero totale legami Influenzata da: ph T 2,3-DPG CO 2 Hb/GR n GR Composizione aria inspirata Ventilazione alveolare A Diffusione d Perfusione alveolare Fr e Vc R vie aeree Compliance

36 Trasporto CO 2 Fisicamente disciolta (5-7%) 0.06 ml/100 ml sangue per mmhg Sangue arterioso pco 2 (40 mmhg) 2.4 ml/100 ml Sangue arterioso pco 2 (46 mmhg) 2.7 ml/100 ml Legata alle proteine (legami carbaminici, 20%) Sotto forma di HCO 3- (70%) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Anidrasi carbonica nei globuli rossi

37 Trasporto CO 2 nel sangue Trasporto al polmone Aria alveolare Nutrienti Metabolismo CO2 disciolta CO 2 disciolta

38 Cont tenuto totale CO 2 ml/ Normale variazione Sangue venoso po 2 40mmHg Sangue arterioso po 2 100mmHg pco 2 Effetto Haldane Il legame dell O 2 con Hb favorisce l eliminazione della CO 2, la curva di dissociazione della CO 2 è spostata verso il basso

39 Effetto Haldane Dovuto alla maggiore acidità dell Hb legata all O 2. Questo facilita l eliminazione della CO 2 con due meccanismi: L Hb più acida ha meno tendenza a legarsi alla CO 2 come carbaminoemoglobia, liberando quindi molta della CO 2 sotto questa forma 2 L Hb più acida rilascia un maggior numero di H +, i quali si combinano con HCO 3- riformando CO 2 che passa dal sangue agli alveoli

40 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Anidrasi carbonica nei globuli rossi

41