DIFUZIA SI TRANSPORTUL GAZELOR

In cursurile anterioare s-a discutat despre substante vasoconstrictoare si vasodilatatoare.

Dintre ele, NO (oxidul de azot) are actiune vasodilatatoare si in circulatie sistemica, dar efectul vasodilatator in circulatia pulmonara este mult mai accentuat, motiv pentru care la momentul actual se incearca folosirea lui ca aerosol in tratamentul hipertensiunii pulmonare.NO se leaga rapid de Hb,are afinitate de 2000 de ori mai mare pt Hb decat O2 ceea ce inseamna, practic, ca se blocheaza functia de transport a O2.

ADH in circulatia pulmonara are efect vasodilatator.Alte substantevasodilatatoare: bradikinina, histamina, prostaciclina.

Substante vasoconstrictoare eliberate in circulatie: angiotensina II care se si formeaza in circulatia pulmonara, endotelinele, serotonina (mai ales in teritoriul venos), tromboxanul A2 siprostaglandinele.

In momentul cresterii debitului circulator in vasele pulmonare, plamanul se poate adapta prin fenomele de distensie si recrutare impiedicand hipertensiunea pulmonara. Aceste fenomene au limite care sunt descrise de factorul de siguranta al plamanilor :

P hidrostatica capilare pulmonare = 10 mm Hg (efect profiltrant). P coloidosmotica a proteinelor din plasma = 28 mm Hg (efect antifiltrant).-

identica cu cea din circulatia sistemica. P hidrostatica interstitiul pulmonar = -9 mm Hg (datorata vidului pleural, forta

profiltranta). P coloidosmotica din interstitiul pulmonar = 10 mm Hg (forta profiltranta).

P efectiva de filtrare = P hidrostatica capilare + P hidrostatica interstitiu + P coloidosmotica interstitiu – P coloidosmotica capilar = 10+9+10-28 = 1 mm Hg.

Lichidul care ajunge in interstitiu este foarte repede indepartat prin intermediul circulatiei limfatice.

In clipa in care presiunea hidrostatica din atriul stang (AS) incepe sa creasca pe de o parte prin....................... si pe de alta parte prin cresterea capacitatii de absorbtie pe vas limfatic este prevenita formarea edemului pulmonar pana cand in AS se ajunge la o preiune de 28 mmHg –in conditii de crestere acuta a presiunii.

Daca preiunea creste lent,treptat, ca in cazul stenozei mitrale sau instalarii insuficientei cardiace stangi factorul de siguranta creste la 40 mmHg, ceea ce inseamna ca pana cand in AS nu se atinge aceasta presiune este prevenita formarea edemului pulmonar.

DIFUZIUNEAPentru studiul difuziunii trebuie amintite anumite formule fizice si anume:

1. Legea Boyle: P×V = constant.2. Legea Henry: Ppartiala gaz = coeficient solubilitate x concentratia gazului.

(px = α x [X])3. Legea Dalton: presiunea totala a unui amestec gazos este suma presiunilor

partiale a gazelor din amestec sau: presiunea pe care o dezvolta un gaz dintr-un amestec este aceeasi pe care ar dezvolta-o daca s-ar afla singur in incinta respectiva. Aerul atmosferic este un amestec de 79% azot,21% oxigen. (20% O2 dezvolta 158 mm Hg), CO2-0.3. Presiunea partiana a N2 atmosferic 596 mmHg.

1

4. Formula Fick:

D=

Presiunea partiala a unui gaz in faza gazoasa depinde de nr de molecule al gazului si temperatura la care se face masurarea.Ea reprezinta gradul de agitatie moleculara care determina un nr de ciocniri/ unitatea de suprafata/unitatea de timp.Daca este vorba de pp a unui gaz intr-o solutie ne referim exclusiv la fractiunea gazoasa dizolvata fizic in plasma.

Ca urmare,O2 legat de Hb NU dezvolta presiune partiala.CO2 sub forma de bicarbnat NU dezv. presiune partiala.CO legat de Hb NU dezv pp.

Coeficientul de solubilitate pentru oxigen = 0.024 si pentru dioxid de carbon = 0.57.(coef de solubilitate de 20 ori mai mare ca al O2 !)=> difuzeaza de 20 ori mai rapid.

Raportul = coeficient de difuziune.O2 e considerat ca avand coeficientul de

difuzie 1=>co2=20.In practica e foarte importanta pentru a stii cat de repede va trece gazul de cealalta parte a membranei si va ajunge in circulatie.

d=suprafata-70 m2. este formata din supafata totala a membranelor si, pe de alta parte de suprafata toatala a capilarelor.Aceasta suprafata are variabilitate spatio-temporala( in inspir creste suprafata alveolara=> creste si suprafata membranei alveolo capilare, in expir scade)

De asemenea, cand creste debitul circulator la plaman supafata de ct intre alveola si capilar creste=>este fav difuziunea.

Grosimea membranei-0.2-0.6 microni, cuprinde urmatoarele elemente : stratul subtire de lichid,pneumocitele de tip 1,membrana bazala alveolara, spatiul interstitial redus, mb a capilarului,endoteliul caplar si membrana hematiei.Daca membrana se ingroasa (fibroza pulmonara,infiltrat inflamator,edem interstitial) difuziunea este limitata datorita parcursului lung pe care il strabate O2.

Diferenta de presiune partiala In caile respiratorii superioare se produce coningenarea aerului,incalzirea si

saturarea in vapori de apa astfel incat la 37 grade celsius (gC) pp h2o=47mmHg, PN2=573 mm Hg, PCO2=40 mm Hg, P O2: 100(102-104) mm Hg-variaza in functie de etapele respiratiei. [acestea sunt valorile in aerul alveolar]

Sangele venos ce vine la plaman: PO2: 40 mm Hg si PCO2: 45-46 mm Hg. Difuziunea are loc de la presiune partiala mare la presiune partiala mica - oxigenul trece din alveola in sange - in venele pulmonare presiunea O2 se echilibreaza la 100 mm Hg, iar CO2 va trece din sange in alveola pentru a fi eliminat - presiunea CO2 in sangele arterializat va fi 40 mm Hg,N2 are aceeasi presiune ca si in alveola,h2o-depinde de cat de bine se face conditionarea aerului( hiperventilatie la temperatura scazuta pp a vaporilor de apa scade-> se explica deshidratarea dupa expunerea la temperaturi scazute.

Conform diferentelor de preiune O2 se va deplasa dinspre alveole spre sange,iar co 2 dinspre sange spre alveole.In sangele arterializat de pe venele pulmonare P o2=cu cea alv si p co2=cea alv.

Cand sangele ajunge la tesuturi, unde PO2 = 40 mm Hg si PCO2= 46 mm Hg, schimburile vor avea loc in sens invers: oxigenul este preluat in tesuturi si dioxidul de carbon va fi eliberat.

Aparent, diferenta de presiune in plaman este de 60 mmmHg pentru O2,iar pt CO2 de 6 mmHg.Timpul de circulatie al unei hematii in capilarele pulmonare-0.75 s,timpul necesar pt oxigenarea Hb-0.25s=>nu se poate aprecia ca diferenta de presune a O2 este intr-adevar de 60 mmHg,intrucat ea este =60 mmHg la intrarea in capilar si

2

cand am trecut de prima treime a lungimii capilarului ea scade la 0mmHg ai in medie dif de pp pentru O2 este de 11 mmHg si nu 60 mmHg. Pt co2 dif med de pp este 1 mmHg.

Cand creste dif medie de pp difuziunea se face ma repede si invers.Cresterea dif med de pp pt O2:cresterea presiunii partiale a

O2:hiperventilatie,respiratie cu 100% o2 sau cu O2 hiperbar sau scaderea co2:efort fizic.Cresterea pp a CO2:in alveole(prin respiratie in punga).Altfel este foarte greu de

modificat pp CO2:este foarte difuzibil si la modificari foarte mici determina aparitia unor mecanisme de reglare.

CAPACITATEA DE DIFUZIE- cant de gaz care dfuzeaza prin mb intr-un minut si pt o diferenta de pp de 1 mmHg. Difuzia neta a oxigenului (P mediu x capacitatea de difuzie=21 x 11) va fi 230 ml/min. In efortul fizic,capacitatea de difuziune creste la 65 ml/min/mm Hg. Aceasta crestere este determinata de cresterea volumului curent (hiperventilatie); cresterea suprafetei de difuziune, scaderea distantei si de scaderea timpului de circulatie. (P creste, debitul cardiac creste de 5-6 ori).

Pentru CO2 capacitatea de difuziune este de 1 ml/min/mm Hg. In repaus se produc 200 ml CO2/min.

Difuziunea limitata de capacitatea de difuzie: CO este un gaz cu afinitate de 200 de ori mai mare pentru hemoglobina decat oxigenul. La o persoana sanatoasa si nefumatoare, concentratia acestui gaz in sange este 0. Daca se administreaza pentru perioada scurta un amestec gazos cu 0,1% concentratie CO, acesta va difuza rapid din alveole in plasma. De aici este preluat la fel de repede de hematie si se fixeaza pe hemoglobina. Oricat de mare sau oricat de mic ar fi debitul circulator, in conditiile de respiratie data (timp scurt, concentratie mica CO) tot CO se fixeaza pe Hb, nu exista timp pentru ca presiunea plasmatica a CO sa se echilibreze cu cea alveolara => difuziunea gazului este limitata de proprietatile de difuzie ale membranei(de permeabilitatea membranei).

Difziunea limitata de perfuziea pulmonară: pentru a demonstra influenta perfuzieipulmonare asupra difuziunii gazelor se foloseste respiratia pe termen scurt intr-un amestec gazos cu 0,01% conc N2O. Oxidul nitros are afinitate 0 pentru hemoglobina si nu reactioneaza nici cu compusi din plasma. Ca urmare, difuzia din alveola in plasma determina echilibrarea foarte rapida a presiunii partiale intre alveola si plasma. Indiferent de grosimea membranei de difuziune, gazul se va echilibra.Difuziunea se opreste cand nu mai exista diferenta de presiune partiala intre alveola si sange. Cu cat debitul circulator va fi mai mare(N2O e indepartat mai rapid), cu atat echilibrul se atinge mai tarziu. Cu cat debitul circulator va fi mai mic, cu atat echilibrul se atinge mai repede.

In mod normal, oxigenul si dioxidul de carbon se comporta ca oxidul nitros = se comporta ca niste gaze a caror difuziune este limitata de perfuzie. Respiratia la altitudine, in mediu hipobar sau cu continut scazut de oxigen, in aceste momente P pentru oxigen scade, iar aceasta scadere face ca difuziunea sa devina factor limitativ pentru preluarea de oxigen.(exceptie:conditii de hipoxie pulmonara) (mecanism?)Persoanele cu fibroza pulmonara nu vor putea face adaptare la altitudine.

PUTEREA OXIFORICA A HB:cant de O2 fixata pe 1 g de Hb. In conditii ideale este de 1,39 ml O2/ g Hb dar in realitate, din cauza unei cantitati de Hb nefunctionale – metHb – cantitatea este de 1,34 ml O2/ g Hb); CAPACITATEA DE OXIGENARE A HB = reprezinta cantitatea de oxigentransportata in 100 ml de sange in fiecare minut, 100 ml de sange transporta 20 ml d O2

SATURATIA IN OXIGEN A HB: reprezinta procentul de oxihemoglobina fata dehemoglobina totala.In sangele arterial este, theoretic 100%, practice din cauza suntului dr-stanga scade la 95-97%; in sangele venos va fi mai mica

3

DIFERENTA ARTERIO VENOASA IN O2: diferenta intre oxihemoglobina in sangelearterial si oxihemoglobina din sangele venos (in sangele arterial 20 ml O2/dl in sangelevenos 15 ml O2/dl - DAV=5 ml O2;

GRADUL DE EXTRACTIE TISULARA AL O2: rocentul de oxigen extras din sangele arterial =diferenta arteriovenoasa in raport cu oxihemoglobina - gradul de extractie este5/20=25%.

CIANOZA:coloratia albastra a tegumentelor.Apare in conditiile in care cantittea de HbH atinge sau depaseste 5 g/dl.Exista boli cianogene,exista conditii de instalare a cinaanozei in lipsa unei boli sau ca in conditia unei disfunctii cianotice sa nu apara cianoza.

Bolile cianogene pot fi te tip central (bloc alveolocapilar, hipoventilatie masiva sau boli congenitale cardiace cu sunt masiv dreapta-stanga) sau de tip periferic atunci cand viteza de circulatie scade, timpul de circulatie creste, ceea ce inseamna ca tesuturile au la dispozitie timp mai lung sa preia oxigen (desatureaza mai lung hemoglobina-creste gradul de extractie), in lipsa unei boli:la expunerea la temp scazute:scade viteza de circulatie,in poliglobulie.

Nu orice cianoza e insotita de hipoxie si hipoxemie!!!Transportul de oxigen   : de la plaman la tesuturi oxigenul se transporta sub 2

forme:o dizolvat fizic in plasma sio legat de hemoglobina. Forma dizolvata fizic este de 0.3 mL/dL. In 5L de sange avem 15 mL O2 in total, reprezentand fractiunea care dezvolta presiune partiala. Daca s-ar administra O2 100% respirator presiunea ar creste la 600 mmHg. Deci trecerea O2 spre plasma ar fi suficienta pentru a asigura metabolismul.

Forme legate de hemoglobina: dupa structura spatiala a moleculei de hemoglobina, se disting 2 forme de Hb: Hb tensionata = forma T, in care intre lanturile β-globinice se insereaza o molecula de 2,3 DPG, iar Hb nu poate primi O2. Intre inelele tetrapirolice exista punti de hidrogen, fierul e scos din planul hemului si are legaturi puternice cu histidina. Exista legaturi intre lanturile globinice.

Pentru a trece din forma T in forma R (relaxata), puntile se rup una cate una, 2,3 DPG e indepartat, fierul intra in inelul tetrapirolic. In mod normal aceasta trecere se intampla la contactul cu O2.

Relatia de saturatie a Hb cu O2 nu e liniara – prima molecula de O2 intra cel mai greu. Ca urmare, grafic, legatura O2 - hemoglobina are forma unui S italic.

Relatia dintre O2 si hemoglobina depinde de valoarea lui p50 = presiunea partiala a oxigenului pentru care 50% din hemoglobina e oxigenata – valoarea normala 26mmHg pentru Hb adulta. In prezenta presiunii mari de oxigen, interactiunea dintre lanturile globinice se slabeste, puntile saline se rup si 2,3 DPG este indepartat.

. Intre 26 si 60mmHg, relatia e relativ liniara.Sub 26mmHg saturatia incepe sa scada treptat pana la 0, cand nu mai avem O2.

Presiunea partiala O2 in tesuturi e de 40 mmHg.Hb lasa la tesuturi 25% din cantitatea de O2.

P50 crescut, de 32mmHg, inseamna ca Hb se satureaza pe jumatate la aceasta presiune partiala.O crestere a valorii lui p50 deplaseaza curba la dreapta => o Hb cu afinitate mai mica pentru O2, dar cu cedare tisulara mai mare. P50 scazut=> curba se deplaseaza la stanga (...)

Hb fetala are p50 mai scazut, curba este deplasata catre stanga.

4

In contexte diferite de activitate metabolica: cand creste concentratia ionilor de hidrogen (pH scazut, acidoza) sau cand creste presiunea partiala a CO2, sau cand creste temperatura locala ori 2,3 DPG - metabolism intens – curba se deplaseaza la dreapta (Hb cedeaza mai usor oxigenul).

Interrelatia dintre H si inelele tetrapirolice: cand exista H, se formeaza punti saline, deci Hb trece in forma T si O2 e expulzat din molecula.

a) Relatia hemoglobina-oxigen-ioni de hidrogen=FENOMEN BOHR: consta in transportul CO2 sub forma de HCO3.In tesuturile extrapulmonare rezulta CO2 care patrunde in eritrocite unde se formeaza H2CO3 (sub actiunea anhidrazei carbonice).Acesta disociaza in HCO3 si H. HCO3 poate traversa mb eritrocitara, iar H va fi netralizat prin reactia HbO2+H->HbH + O2=> duce la eliberarea O2 catre tesuturi.

b) Fenomenul Bohr-like descrie hidratarea CO2 in eritrocit de catre anhidraza carbonica, rezultand H2CO3, care se descompune la HCO3

- si H+, protonii ducand la fenomen Bohr.

c) Relatia hemoglobina-dioxid de carbon-hidrogen se explica prin fenomenul anti-Bohr: acest fenomen reprezinta competitia dintre CO2 si hidrogen pentru molecula de Hb. Cand un tesut este foarte activ metabolic si produce acizi labili in cantitate mare, CO2 forteaza Hb sa ramana in stare relaxata si atunci Hb isi pierde capacitatea de a capta hidrogenul, adica isi pierde capacitatea de tampon antiacid.

d) Rolul 2,3 DPG asupra Hb-O2: 2,3DPG depinde de cantitatea de enzime din eritrocit(activitatea enzimatica a eritrocitului (mutaza si fosfataza) scade cu varsta eritrocitului.)Eritrocitele imbatranite sau sangele conservat prea mult timp au cantitate

mica de 2,3 DPG- el stabilizeaza forma tensionata a Hb – daca exista putin 2,3 DPG, Hb pastreaza O2 si il cedeaza greu. 2, 3 DPG provine din metabolismul intraeritrocitar (glicoliza anaeroba): din acidul 1,2 DPG sub actiunea unei mutaze se formeaza 2,3 DPG care la randul lui sub actiunea unei fosfataze formeaza acid 3 fosfogliceric.

De aceea sunt periculoase transfuziile cu sange vechi. Nu doar ca va pastra O2, ci il si ia pe cel din tesuturi: anoxie tisulara, care duce la secretie crescuta de catecolamine si cortizon, ducand in final la accidente vasculare in teritoriu. Curba oxihemoglobinei se deplaseaza catre stanga. Anumite deficite enzimatice au fost observate prima data la cei cu crize de angina pectorala pe coronarele indemne (fara ateroscleroza). Cantitatea de 2,3 DPG depinde si de pHul intracelular. Astfel, alcaloza stimuleaza mutaza si inhiba fosfataza in timp ce acidoza are efect invers de inhibare a mutazei si de stimulare a fosfatazei. Aceste efecte tin in mod special de formele acute de acidoza si alcaloza de tip respirator.

e) Fenomenul Haldane: interrelatia dintre CO2 si lanturile globinice ale Hb.Co2 are capacitatea de a se fixa pe gruparile amino=>carbamatii de Hb

α-sunt compatibile cu prezenta simultana a O2 in molecula β-intra in interiorul moleculei, scoate O2 cu deplasarea curbei spre

dreapta.

5

Transportul CO2: fenomenul de membrana Hamburger = de migrare a ionilor de clor: explica felul in care se transporta CO2 de la tesuturi la plaman, ca si eliberarea acestuia in aerul alveolar.

Presiunea partiala de O2 in alveole poate fi intre 102-104 in mod normal. In sangele arterial, din cauza contaminarii venoase o sa fie 97, 98 mmHg. Presiunea partiala a CO2 este in conditii normale intre 45 si 47.

La capatul arterial al capilarului avem pO2 de 100mmHg si pCO2 de 40mmHg. Hematia are HbO2. In tesut, pO2 este de 40mmHg si pCO2 este de 46mmHg. CO2 este de 20 de ori mai difuzibil decat oxigenul, deplasandu-se rapid dinspre tesut spre sange. 8% din cantitatea totala ramane in plasma. Din acestia, 5% se vor dizolva fizic, 3% se combina cu proteinele plasmatice formand carbamati plasmatici. 92% din CO2 difuzat din tesut intra in eritrocit. Din acesti 92%, 10% se fixeaza pe molecula de hemoglobina, 82% reactioneaza cu apa, reactie rapida la nivelul eritrocitului in prezenta anhidrazei carbonice (AC), care duce la formarea de H2CO3 care disociaza in ioni de H si ioni de bicarbonat. Ionul de H se duce pe molecula de hemoglobina formand punti si expulzand oxigenul, care se indreapta catre tesut. Ionul bicarbonat se acumuleaza, depasind cu mult concentratia extracelulara. Ca urmare, transportorul Cl/HCO3 va scoate ionul bicarbonic din celula si in schimbul bicarbonatului va intra Cl in hematie. Cl provine din NaCl disociat in plasma. Deoarece Cl dezvolta proprietati osmotic active, el va atrage dupa sine si cantitatea osmotic echivalenta de apa.

Astfel, volumul hematiei creste si hematocritul se va mari. Ht venos este mai mare si mai acid decat cel arterial. Sunt carti in care e o mare prostie scrisa: pHul sangelui venos e mai mare decat al sangelui arterial deoarece se formeaza bicarbonat. Sangele venos e intotdeauna mai acid decat cel arterial.

CO2 nu poate fi transportat catre plamani fara eritrocit, deoarece nu am avea AC care sa formeze HCO3 – geneza sa e strict intracelulara.

Fenomenul Hamburger inversat are loc in plamani. In plasma, presiunea partiala a CO2=46mmHg. Hemoglobina este in stare tensionata. In prezenta oxigenului cu presiune partiala mare, incep sa se rupa rapid puntile de hidrogen. Ionii de H ies din molecula de Hb si sunt inlocuiti de O2. Cresterea concentratiei de H liberi permite refacerea H2CO3 din H si HCO3, acidul carbonic se desface in apa si CO2. Dioxidul de carbon difuzeaza din eritrocit in plasma, din plasma in alveola si, pe masura ce se consuma HCO3 intraeritrocitar, este inlocuit de cel din plasma, pentru ca schimbatorul va functiona in sens invers. Se mentine acest ciclu de reactii pana se elimina CO2 adus de la tesuturi.

6