COMPOSIZIONE DELL’ARIA ATMOSFERICA SECCAE 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

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

h ↑(composizione costante)

⇓

Patm↓ → p(..) ↓h = 5000 m, pO2 = 88 mm Hg

h = 0 m, pO2 = 159 mm Hg

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

⇓⇓⇓⇓

⇒

⇒

⇒

↓↓↓↓salinità ↑

↓↓↓↓T ↑

↑↑↑↑quantità di gas disciolto

in un volume fissato

p(..) ↑

NEI LIQUIDI:

SOLUBILITÀ CO2 > O2 IN H2O

[O2]

[mL⋅L-1]

T

[°C]

24

0

0

5,2H2O mare (salinità 35‰)

10H2O

210Aria

ANIDRIDE CARBONICA

45 mL CO2/L H2O marina

0,49 mL CO2/L H2O

pH 8

pH 7

2

1

2

pCO

2 2

2 2 2 3

+ -2 3 3

k

- + --3 3

k

CO (aria) CO (disciolta)

CO (disciolta) + H O H CO

H CO H + HCO

HCO H + CO

�

�

�

�

↔↔↔↔↔↔↔↔

↔↔↔↔

↔↔↔↔

ANIDRIDE CARBONICA

cutanea branchiale polmonare

esterno esterno esterno internointerno int

O2

CO2

respirazione statica

∆pO2

∆pCO2

protozoi

cutanea

polmonare

branchiale

Respirazione

0,2% nell’uomo

spessore pareti di scambio 1-4 µm

105

59

[O2][mL⋅kg-1·h-1]

Respirazione polmonare

52

62

[O2][mL⋅kg-1·h-1]

129

119

[CO2][mL⋅kg-1·h-1]

Rana fusca

Rana esculenta

0,43452,48

0,32191,92

[CO2]/ [O 2][CO2][mL⋅kg-1·h-1]

[CO2]/ [O 2]

Respirazione cutanea

Rana esculenta

SCHEMA GENERALE DEGLI SCAMBI GASSOSI

diffusione diffusione

Fisiologia della respirazionea) respirazione polmonareb) funzione respiratoria del sanguec) respirazione cellulare (chimica biologica)

a) + b) ← coordinamento movimenti respiratori e circolazione

POLMONI DI VENTILAZIONE(vertebrati)

variazione volume polmonaretrasporto meccanico dei gas(inspirazione – espirazione)

• uomo: 10,9 cm2 di superficie polmonare/g peso• forme superiori: 75% superficie alveolare ricoperta da capillari

]sangue [mLvolume di ]cm scambio [erficie disup

polmonareefficienza2

=

• anfibi inferiori: < 1• rana: ≈ 8• uomo: ≈ 150 (volume: 5 L, superficie: 75 m2)

Distanza fra superficie di scambio e vasi: • Proteus: 4 µm• rettili: 1 µm• mammiferi: 0,2 µm ∆x

∆cDJ ⋅=

VIE RESPIRATORIE

VIE AEREEINFERIORI

L’ATTO RESPIRATORIO(inspirazione - espirazione)

inspirazione

espirazione

contrazione muscoli inspiratori⇓

volume toracico ↑ (pressione intrapleurica: -2,5 → -6 mm Hg)⇓

espansione polmonare (l’aria entra)

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

campana

aria

acqua tracciato

SPIROMETRO

boccaglio

SPIROMETRIA(misura i volumi e le capacità polmonari)

volume di riservainspiratoria 3000 mL

volume corrente500 mL

volume residuo1200 mL

volume di riservaespiratoria 1100 mL

capacitàfunzionale residua

capacitàpolmonare totale

capacitàinspiratoria

capacitàvitale 4600 mL

1200

23002800

5800V

olum

e [m

L]

VOLUMI POLMONARI

VOLUMI POLMONARI

capacità polmonare totale

volume residuo

capacità vitale

volume espiratorio di riserva

capacità respiratoria

volume inspiratorio di riserva

volume corrente o di ventilazione

→→→→ 6200CPT = CV + Vr

→ 1600Vr

2500-5500→→→→ 4600CV = CR + Ver

→ 1100Ver

→→→→ 3500CR = Vc + Vir

→ 3000V ir

~500Vc

[mL][mL]

METODO DELLA DILUIZIONE DELL’ELIO(volume residuo, capacità funzionale residua)

Aria atmosfericatambiente

CO2 0,03%

O2 20,95%

A livello faringeosaturazione H2O

t → 34 °CAria espirata

t → 35,5 °C90% satura di H2O

CO2 3-4,5%

O2 16-17,5%

A riposo: 12-16 atti respiratori·min-1

→→→→ 500 mL·(12-16) atti·min-1 = 6-8 L·min-1

MODIFICAZIONI DELL’ARIA RESPIRATA

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.

Le resistenze alla diffusione dei gasrespiratori 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.

interstizio

SCAMBIO DEI GAS RESPIRATORIf(lunghezza dei capillari)

GAS RESPIRATORI –PRESSIONI PARZIALI NEI VARI COMPARTIMENTI

SHUNT FISIOLOGICO

Parenchima polmonare CuoreVene polmonari

Arterie polmonari

Rami aorta toracica

⇓⇓⇓⇓

2% del sangue nelle arterie è ancora venoso

Circolo bronchiale

TRASPORTO DEI GAS NEL SANGUE

Fenomeni fondamentali

convezione

diffusione

1

3

2

4

vie aeree

sangue (disciolti o chim. legati)

sangue → tessuti

alveoli → sangue

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

1

2

k

2 2k

1 2 2 2

12 2

2

2 2

Hb + O HbO

all'equilibrio:

k [Hb] [O ] = k [HbO ]

k α[HbO ] = [Hb] pO

k 760

se T = cost, α = f(liquido, gas)

[HbO ] = f(pO )

⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅

⇒

�

22

Legge di Henry:

pO[O ] = α

760α = coefficiente di solubilità

⋅

EMOGLOBINA

Proteina coniugata oligomerica (PM 64500)

↑↑↑↑4 unità polipeptidiche (protomeri)

↑↑↑↑1 unità: una proteina + 1 eme

↑↑↑↑1 eme: Fe(II) + 1 protoporfirina

lega 4 O2

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

REAZIONI DELL’EMOGLOBINA

CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL’OSSIEMOGLOBINA

CURVA DI DISSOCIAZIONE DELL’OSSIEMOGLOBINA

2,3-difosfogliceratometabolita prodotto dai GR

facilita il trasporto di O2attraverso la placenta

emoglobina fetale(catene: 2α + 2γ)

↓gradualmente

emoglobina adulta(catene: 2α + 2β)

TRASPORTO DELL’ANIDRIDE CARBONICA

∆(venoso – arterioso)

arterioso

venoso

sangue

1,7

21,5

23,2

CO2

[mM·L-1]

CO2 presente > CO2 disciolta

FORME DI TRASPORTO DELLA CO2

−+ +→→+ 332

AC

22 HCOHCOHOHCO

+− +−−→+− HCOONHRCONHR 22

Reazione con le proteine: formazione di composti carboaminici

TRASPORTO DELLA CO2

FORME DI TRASPORTO DELLA CO2 (tessuti → polmoni)

1

2

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

VENTILAZIONEALVEOLARE

E PRESSIONI PARZIALI

NUCLEI RESPIRATORI DEL TRONCO ENCEFALICO(genesi e regolazione del ritmo)

RAPPORTI FUNZIONALI FRA I PRINCIPALI NUCLEI

RESPIRATORI DEL TRONCO ENCEFALICO

ATTIVITÀ DEINERVI RESPIRATORI DURANTE IL CICLO

FASI DEL CICLO RESPIRATORIO(attività neuronale in rapporto all’attività del nervo frenico)

TRASPORTO O2sangue → 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

venosaatero )(O ioneconcentraz di differenza 2 −=−2Ova )C(C

2Ova2 )C(C sanguignoflusso utilizzato O −⋅=

2

2

Oa

Ova

2

22 )(C

)C(C

offerto O

utilizzato O O oneutilizzazi

−== 40muscolo a riposo

25globalmente (a riposo)

60cuore pulsante

90muscolo che lavora →

10reni

utilizzazione O2 [%]