Universidad Nacional del Santa Facultad 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 Oxígeno Tan importante como alimento Respiración La respiración está compuesta por: Captación del oxígeno del medio ambiente Utilización Producción de CO CO 2

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 % O 2 0,03 % CO 2 Ne, Xe, Kr = 0,002 % N 2 = 79,02 O 2 = 20,95 C O 2 = 0,03 + V H 2 O 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 P x = X P donde: P = PT de la mezcla 100 X = % volumen del gas P O2 = 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 P O ,09 = 704,91 P O2 = 20,95 x 704,91 = 147,67 mmHg = 0,195 atm 100

P CO2 = 0,0003 P N2 = 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 V 1 T 1 º p c 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 = P 1 V 1 P m c Tº c 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 O 2 y el CO 2 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 difusión Para 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 O 2 y la producción de CO 2 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 área El área de una esfera aumenta respecto al cuadrado de su 0 El volumen lo hace respecto al cubo del 0 M = DA (a 1 – a 2 ) 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 O 2 y extrae de CO 2 de los tejidos

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 O 2 en el aire es más que en el agua, ya que el agua es 800 veces más densa que el aire CO 2 es 25 veces más Sustancia Constante de difusión Aire 11,0 Agua 0, Músculo 0, 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

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 O 2 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 O 2 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 O 2 /100 ml = 0,3 vol%. Cada g Hb disuelve 1,34 ml oxígeno

CUADRO COMPARATIVO DE PIGMENTOS RESPIRATORIOS Pigmento respiratorio MetalColor HemoglobinaFe ++ Rojo HemocianinaCu ++ Azul HemeritrinaFe ++ Rojo ClorocruorinaFe ++ 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 trout Tasa 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 daltones Contiene cuatro grupos prostéticos de Fe porfirínico hemo unido a la proteína globina Dos cadenas alfa Dos cadenas beta

Grupo hemo

La mioglobina es equivalente a una subunidad de Hb, es decir una cadena y su grupo hemo, y es el pigmento respiratorio que almacena O 2 en los músculos de los vertebrados Hb sin O 2, el Fe está en estado ferroso desoxihemoglobina Hb con O 2, 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 O 2 )

DesoxihemoglobinaOxihemoglobinaMetahemoglobina

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 10 5 a 10 6, siendo el P.M. de la subunidad de a 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 Cu 2+, 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 pO 2 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 = – 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 O 2

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 O 2 Se encuentra en dos familias de poliquetos: Serpulidae y Sabellidae Presenta una alto efecto Bohr, es decir exhiben una baja afinidad para el O 2 Presenta mayor efecto cooperativo comparado con la HB Micrografía electrónica de lo clorocruorina

Hb O2 O2 O2O2 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 O 2 volumen 24,2 mmol O 2 La sangre humana presenta 0,9 mmol hemo/100 ml sangre La capacidad de O 2 será por lo tanto de: 0,9 x 24,2 = 20,2 vol % O 2 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

Capacidad de O 2 aumenta en proporción a la concentración Hb Para comparar sangres con diferentes contenidos de HB se usa el porcentaje de saturación Expresa el contenido O 2 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 O 2 se une a la Hb dependerá si ya uno está unido, lo que ocurre cuando hay alto O 2 en el medio. Esta cinética permite que se cargue en los pulmones y se decargue en los tejidos donde hay poco O 2. Presenta poca afinidad para el O 2.

Curvas de disociación

Por debajo de una PO 2 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 PO 2 igual a 40 mmHg, descarga el 25% de su oxígeno, la que se queda unida constituye una reserva que puede ser sustraída en emergencias

Una propiedad importante de los pigmentos respiratorios, es que el O 2 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 O 2 debe ser cargado, transportado y descargado Carga y la pO 2 a la que ocurre Descarga y la p O 2 a la que ocurre T SAT = Tensión de carga, presión O 2 a la cual la Hb está saturada en 95% T 1/2 SAT = Tensión de descarga, presión del O 2 a la cual la Hb está saturada en 50% con O 2 y 50% con CO 2. Hb con baja afinidad tienen T 1/2 SAT altos y con gran afinidad T 1/2 SAT bajos Sangre desoxigenada que regresa de los tejidos Sangre oxigenada que abandona los pulmones

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 O 2 y por lo tanto lo cedan. El término efecto Bohr se utiliza para describir el efecto del pH sobre la afinidad Hb - O 2. Radica en la globina e inicialmente se dio por efecto de un incremento del CO 2 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+H+ H+H+ Hb-O 2 CO 2 Compuestos carbámicos Hb(O 2 ) 4 + nH + Hb(H + ) n + 4O 2.(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 O 2 CO 2 Efecto Bohr inverso

Efecto Bohr y efecto Bohr inverso

Efecto Root: En algunos peces, cefalópodos y crustáceos, el aumento en la concentración de C O 2 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 O 2 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 O 2 y también la afinidad de la Hb por el O 2 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 mayores En 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 O 2 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

Transporte de Anhidrido Carbónico El CO 2 difunde de los tejidos a la sangre y a través de las superficies respiratorias hacia el ambiente. La mayor cantidad de CO 2 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 + + HCO 3 05% se mantiene molecularmente disuelto 21% se une a la Hb y forma carbaHb Del 10%: 05% se hidrata lentamente 05% va como CO 2 disuelto < 1% se une a proteínas: carbamidas Plasma Cl - La proporción entre CO 2 y H 2 CO 3 : 1000:1 Entre CO 2 y HCO 3 : 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 CO 2 : 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 HCO 3 Las 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 CO 2 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 HCO 3 efecto Bohr protons

¡ Estudie como si fuera a vivir toda la vida !