COMPOSIZIONE DELL’ARIA ATMOSFERICA SECCA
E PRESSIONI PARZIALI DEI GAS - (760 TORR, 15 °C)
COMPOSIZIONE ARIA NELL’ATMOSFERA = COSTANTE
A PARTE LE VARIAZIONI DELLA QUANTITA DI VAPORE ACQUEO
A 0 °C
1 torr = 760 mm Hg
1 N⋅m-2 = 1 Pa (SI)
1 mm Hg = 133,3 Pa
h↑
(composizione costante)
⇓
Patm ↓ → p(..) ↓
h = 5000 m, pO2 = 88 mm Hg
h = 0 m, pO2 = 159 mm Hg
NELL’ARIA ATMOSFERICA È CONTENUTA UNA QUANTITÀ VARIABILE DI VAPORE ACQUEO
QUANDO L’ARIA È SATURA DI VAPORE ACQUEO SI DICE CHE L’UMIDITÀ RELATIVA È IL 100%
ES. UMIDITÀ RELATIVA = 70
SIGNIFICA CHE L’ARIA, A QUELLA T, CONTIENE I 7/10 DELLA QUANTITÀ NECESSARIA
PER ARRIVARE ALLA SATURAZIONE
VAPORE ACQUEO E PRESSIONI PARZIALI
pressione parziale di un gas atmosferico = Patm · % del gas nell’atmosfera
⇓
pressione parziale dell’ossigeno (PO2) = 760 mm Hg · 20,9% = 159 mm Hg
= 101,325 kPa · 20,9% = 21,18 kPa
NEI LIQUIDI:
SOLUBILITÀ CO2 > O2 IN H2O
p(..) ↑
⇒
↑
T↑
⇒
quantità di gas disciolto
↓
in un volume fissato
salinità ↑
⇒
↓
T
[°C]
[O2]
[mL⋅L-1]
Aria
0
210
H2 O
0
10
H2O mare (salinità 35‰)
24
5,2
ANIDRIDE CARBONICA
pCO 2
CO 2 (aria) ↔ CO 2 (disciolta)
CO 2 (disciolta) + H 2O ↔ H 2CO3
+
↔
H 2CO3
H + HCO3
k1
HCO3- ↔ H + + CO3-k2
pH 7
0,49 mL CO2/L H2O
pH 8
45 mL CO2/L H2O marina
esterno
interno
esterno
int
esterno
interno
protozoi
∆pCO2
∆pO2
O2
CO2
respirazione statica
cutanea
branchiale
Respirazione
branchiale
spessore pareti di scambio 1-4 µm
polmonare
cutanea
0,2% nell’uomo
polmonare
Respirazione cutanea
[O2]
[CO2]
[mL⋅kg-1·h-1]
[mL⋅kg-1·h-1]
Rana esculenta
62
119
Rana fusca
52
129
Rana esculenta
Respirazione polmonare
[O2]
[CO2]
[mL⋅kg-1·h-1]
[mL⋅kg-1·h-1]
1,92
59
19
0,32
2,48
105
45
0,43
[CO2]/ [O2]
[CO2]/ [O2]
SCHEMA GENERALE DEGLI SCAMBI GASSOSI
diffusione
diffusione
Fisiologia della respirazione
a) respirazione polmonare
b) funzione respiratoria del sangue
c) respirazione cellulare (chimica biologica)
a) + b) ← coordinamento movimenti respiratori e circolazione
POLMONI DI VENTILAZIONE
(vertebrati)
variazione volume polmonare
trasporto meccanico dei gas
(inspirazione – espirazione)
• uomo: 10,9 cm2 di superficie polmonare/g peso
• forme superiori: 75% superficie alveolare ricoperta da capillari
efficienza polmonare =
2
sup erficie di scambio [cm ]
volume di sangue [mL]
Distanza fra superficie di scambio e vasi:
• Proteus: 4 µm
• rettili: 1 µm
• mammiferi: 0,2 µm
• anfibi inferiori: < 1
• rana: ≈ 8
• uomo: ≈ 150
(volume: 5 L, superficie: 75 m2)
∆c
J = D⋅
∆x
VIE RESPIRATORIE
VIE AEREE
INFERIORI
L’ATTO RESPIRATORIO
(inspirazione - espirazione)
inspirazione
contrazione muscoli inspiratori
⇓
volume toracico ↑ (pressione intrapleurica: -2,5 → -6 mm Hg)
⇓
espansione polmonare (l’aria entra)
espirazione
retrazione elastica dei polmoni
⇓
l’aria esce
persistenza contrazione muscoli inspiratori → rallentamento fase espiratoria
75% volume intratoracico dovuto al movimento del diaframma
I MUSCOLI RESPIRATORI E LA LORO AZIONE
PARETE TORACICA, SACCO PLEURICO, POLMONI
MODIFICAZIONI DI:
PRESSIONE PLEURICA, PRESSIONE ALVEOLARE E VOLUME RESPIRATORIO
(respirazione tranquilla)
LEGGE DI BOYLE
P1·V1 = P2·V2
T, n costanti
numero collisioni ↑
GRADIENTI PRESSORI TRANSMURALI
PRESSIONE NELLA CAVITÀ PLEURICA
MODELLO FISIOLOGICO
(volume polmonare e pressioni)
TENSIONE SUPERFICIALE E STABILITÀ DEGLI ALVEOLI
SPIROMETRO
boccaglio
campana
aria
acqua
tracciato
SPIROMETRIA
(misura i volumi e le capacità polmonari)
VOLUMI POLMONARI
volume di riserva
inspiratoria 3000 mL
capacità
inspiratoria
capacità
vitale 4600 mL
5800
Volume [mL]
volume corrente
500 mL
2800
2300
capacità
funzionale residua
1200
volume residuo
1200 mL
volume di riserva
espiratoria 1100 mL
capacità
polmonare totale
VOLUMI POLMONARI
[mL]
volume corrente o di ventilazione
Vc
~500
volume inspiratorio di riserva
Vir
→ 3000
capacità respiratoria
CR = Vc + Vir
→ 3500
volume espiratorio di riserva
Ver
→ 1100
capacità vitale
CV = CR + Ver
→ 4600
volume residuo
Vr
→ 1600
capacità polmonare totale
CPT = CV + Vr
→ 6200
[mL]
2500-5500
METODO DELLA DILUIZIONE DELL’ELIO
(volume residuo, capacità funzionale residua)
MODIFICAZIONI DELL’ARIA RESPIRATA
Aria atmosferica
tambiente
CO2 0,03%
O2 20,95%
A riposo: 12-16 atti respiratori·min-1
→ 500 mL·(12-16) atti·min-1 = 6-8 L·min-1
A livello faringeo
saturazione H2O
t → 34 °C
Aria espirata
t → 35,5 °C
90% satura di H2O
CO2 3-4,5%
O2 16-17,5%
STRUTTURA DELLA MEMBRANA RESPIRATORIA
DIFFUSIONE DEI GAS RESPIRATORI. BARRIERA ALVEOLO-CAPILLARE
La barriera alveolo-capillare,
che separa la fase gassosa dal sangue,
è di spessore 0,5 – 1 µm.
interstizio
Le resistenze alla diffusione dei gas
respiratori sono dovute a:
- epitelio alveolare,
- interstizio,
- endotelio capillare,
- plasma sanguigno,
- membrana dell’eritrocita,
- ambiente interno dell’eritrocita.
Un singolo globulo rosso, durante il
passaggio in un capillare polmonare, resta
in contatto di diffusione per un tempo di
circa 0,3 s.
SCAMBIO DEI GAS RESPIRATORI
f(lunghezza dei capillari)
GAS RESPIRATORI –
PRESSIONI PARZIALI NEI
VARI COMPARTIMENTI
SHUNT FISIOLOGICO
Arterie polmonari
Rami aorta toracica
Parenchima polmonare
Vene polmonari
⇓
2% del sangue nelle arterie è ancora venoso
Circolo bronchiale
Cuore
TRASPORTO DEI GAS NEL SANGUE
1
vie aeree
3
sangue (disciolti o chim. legati)
2
alveoli → sangue
4
sangue → tessuti
convezione
Fenomeni fondamentali
diffusione
1
2
3
4
TRASPORTO DELL’OSSIGENO
O2 fisicamente disciolto: 0,3 mL/100 mL di plasma
O2 totale: 20 mL/100 mL di sangue
⇓
O2 è, per la maggior parte, chimicamente legato
k1
Hb + O 2
k2
HbO 2
all'equilibrio:
k1 ⋅ [Hb] ⋅ [O 2 ] = k 2 ⋅ [HbO 2 ]
Legge di Henry:
pO 2
760
α = coefficiente di solubilità
[O 2 ] = α ⋅
[HbO 2 ] =
k1
α
⋅ [Hb] ⋅ pO 2 ⋅
k2
760
se T = cost, α = f(liquido, gas)
⇒ [HbO 2 ] = f(pO 2 )
EMOGLOBINA
lega 4 O2
Proteina coniugata oligomerica (PM 64500)
↑
4 unità polipeptidiche (protomeri)
↑
1 unità: una proteina + 1 eme
↑
1 eme: Fe(II) + 1 protoporfirina
REAZIONI DELL’EMOGLOBINA
Reazione di ossigenazione: Hb + O2 → HbO2
Reazione di deossigenazione: HbO2 → Hb + O2
Reazione di ossidazione: Fe(II) → Fe(III)
Con ferricianuro → metaemoglobina (reazione non reversibile O2
Affinità per Hb: CO > O2
CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL’OSSIEMOGLOBINA
CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL’OSSIEMOGLOBINA
2,3-difosfoglicerato
metabolita prodotto dai GR
emoglobina fetale
(catene: 2α + 2γ)
↓gradualmente
emoglobina adulta
(catene: 2α + 2β)
facilita il trasporto di O2
attraverso la placenta
TRASPORTO DELL’ANIDRIDE CARBONICA
sangue
CO2
[mM·L-1]
venoso
23,2
arterioso
21,5
∆(venoso – arterioso)
1,7
CO2 presente > CO2 disciolta
FORME DI TRASPORTO DELLA CO2
AC
CO 2 + H 2 O →H 2 CO 3 → H + + HCO 3−
Reazione con le proteine: formazione di composti carboaminici
R − NH 2 + CO 2 → R − NH − COO − + H +
TRASPORTO DELLA CO2
FORME DI TRASPORTO DELLA CO2 (tessuti → polmoni)
2
1
3
4
SCAMBI GASSOSI A LIVELLO POLMONARE
LOCALIZZAZIONE DEI CORPI CAROTIDEI E AORTICI
VOLUME DELLO SPAZIO MORTO ANATOMICO (VM)
frequenza respiratoria · volume corrente (VT) = ventilazione polmonare totale
frequenza respiratoria · (VT – VM) = ventilazione alveolare
VENTILAZIONE
ALVEOLARE
E
PRESSIONI
PARZIALI
NUCLEI RESPIRATORI DEL TRONCO ENCEFALICO
(genesi e regolazione del ritmo)
RAPPORTI FUNZIONALI
FRA I PRINCIPALI NUCLEI
RESPIRATORI DEL
TRONCO ENCEFALICO
ATTIVITÀ DEI
NERVI RESPIRATORI
DURANTE IL CICLO
FASI DEL CICLO RESPIRATORIO
(attività neuronale in rapporto all’attività del nervo frenico)
TRASPORTO O2
sangue → cellule
O2 offerto = O2 a disposizione di un tessuto nell’unità di tempo
O2 rifiutato = O2 che lascia i capillari per le vene nell’unità di tempo
O2 utilizzato = O2 offerto - O2 rifiutato
(Ca − Cv )O2 = differenza di concentrazione (O 2 ) atero− venosa
O2 utilizzato = flusso sanguigno ⋅ (Ca − Cv )O2
utilizzazione O2 [%]
O2 utilizzato (Ca − Cv )O2
utilizzazi one O2 =
=
O2 offerto
(Ca )O2
reni
10
muscolo a riposo
40
muscolo che lavora →
90
cuore pulsante
60
globalmente (a riposo)
25
