Intercambio de gases Capítulo 44 Dr. Robert J. Mayer

Respiración El intercambio de gases entre el organismo y su ambiente Respiración organísmica (ventilación) Se lleva a cabo en los animales Se toma O2 y se libera CO2 Respiración celular aeróbica Se lleva a cabo en las mitocondrias El O2 es necesario para que se pueda llevar a cabo el ciclo de ácido cítrico

Ventilación – el movimiento continuo de agua o aire sobre una superficie respiratoria

Difusión simple Movimiento pasivo de moléculas de un área de donde hay una mayor concentración de las mismas a un área de menor concentración De esta forma es que ocurre el intercambio de gases en organismos acuáticos pequeños tales como las esponjas, cnidarios y lombrices planas

Comparacion de el intercambio de gases en agua y agua El aire contiene una mayor concentración de oxígeno molecular que el agua. El oxígeno se difunde mas rápidamente a través del aire que de el agua Se necesita menos energía para mover aire que agua sobre una superfice de intercambio de gases

Adaptaciones para el intercambio de gases Superficie corporal Los animales acuáticos pequeños intercambian gases mediante la difusión y no requieren una estructura especializada para llevar a cabo esta función Algunos invertebrados, incluyendo muchos anélidos, y anfibios intercambian gases a través de la superficie corporal

Intercambio de gases a través de la superficie corporal

Sistema traqueal Adaptaciones para el intercambio de gases cont. En los insectos y otros artrópodos el aire entra a las traqueas por aperturas en la region lateral del animal llamadas espiráculos (spiracles) El sistema traqueal se ramifica y extiende a todas las regiones del cuerpo

Intercambio de gases a través de un sistema traqueal

Spiracle Tracheal tube Epithelial cell Tracheal tube O2 Tracheole Spiracle CO2 100 µm Muscle

Adaptaciones para el intercambio de gases Branquias Proyecciones humedas de la superficie del cuerpo, presentes principalmente en animales acuáticos. Sistema tipo “counter-current” que maximiza la absorción de O2 y facilita el que se libere CO2

Intercambio de gases a través de las branquias

Concurrent flow (does not occur) Gill arch CO2 CO2 O2 Opercular chamber Gill arch Afferent blood vessel (low O2 con- centration) Blood vessels Gill filaments Efferent blood vessel (rich in O2) Efferent blood vessel (rich in O2) Countercurrent flow Concurrent flow (does not occur)

Adaptaciones para el intercambio de gases Pulmones Los vertebrados terrestres poseen pulmones y una forma de ventilarlos Son etructuras respiratorias que se desarrollan como invaginaciones de la superficie del cuerpo de la pared de una cavidad corporal

Intercambio de gases a través de pulmones

Pulmones de vertebrados

Como funcionan los pulmones de las aves Parabronchi – thin walled tubes open at both ends Sistema mas eficiente de todos los vertebrados

Sistema respiratorio de los mamíferos Consiste de pulmones y tractos respiratorios Los pulmones ocupan la cavidad pleural y están cubiertos de la membrana pleural Secuencia del paso del aire: Fosas nasales, cavidad nasal, faringe, laringe, traquea, bronquios, bronquiolos y alveolos

El sistema respiratorio humano

Estructura de los alveolos

Bronchiole Alveolus Capillary Macrophage Red blood cells Capillaries Alveolus Alveolus Epithelial cell of the adjacent alveolus Alveolus Alveolus Epithelial cell of the wall of the alveolus (cont’d next slide)

Mecanismo respiratorio del ser humano Se expande el diafragma y la cavidad toráxica Los centros respiratorios en la médula y el pons regulan la respiración Stimulated by chemoreceptors Estimulación por quimioreceptrores An increase in hydrogen ions and low oxygen concentration

Mecanismo respiratorio

La cantidad de aire respirado puede ser medida “Tidal volume” – la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones con cada respiración normal Vital capacity – la cantidad máxima de aire que una persona puede exhalar luego de llenar los pulmones al máximo Capacidad residual – la cantidad de aire que queda en los pulmones luego de que la persona expira normalmente

Factores que determinan la dirección de la difusión Dalton’s law of partial pressures – en una mezcla de gases la presión total de la mezcla es la suma de las presiones de los gases individuales Presión parcial – todos los gases ejercen, independientemente de los otros, la misma presión que ejercería si estuviese solo

Intercambio de gases en los pulmones y en los tejidos La respiración celular resulta en el uso continuo de oxigeno y la producción de dióxido de carbono Aire inhalado : 20.9 % O2 Aire exhalado: 14 % O2 Aire exhalado contiene 100 X CO2 que el aire inhalado La ley de Fick’s – la cantidad de oxigeno o dioxido de carbono que se difunde a través de la membrana de un alveolo depende de las diferencisas en presiones parciales a ambos lados de la membrana y de la superficie de area de la superficie respiratoria

Función de la hemoglobina en el transporte de oxígeno Pigmento respiratorios – moléculas que se unen reversiblemente al oxigeno y estan presentes en la sangre de la mayor parte de los vertebrados Los vertebrados solamente poseen hemoglobina (tambien presente en invertebrados) En muchos animales la hemoglobina esta disuelta en el plasma o la hemolinfa Casi todo el O2 en la sangre humana es transportado como oxihemoglobina (HbO2) (enlaces débiles entre la hemoglobina y el oxígeno) Miohemoglobina – pigmento respiratorio presente en los músculos

La hemoglobina transporta casi 99 % del oxígeno. El plasma carga mucho menos oxígeno

“Oxygen-carrying capacity” Cantidad máxima de O2 que puede ser transportada por la hemoglobina Oxygen content Cantidad de O2 unido a la hemoglobina Percent oxygen saturation Razón de contenido de O2 al “O2 carrying capacity”

“Oxygen-hemoglobin dissociation curve” Muestra que a medida que la concentración de O2 aumenta, hay un aumento progresivo en la hemoglobina que se combina con el O2 Bohr effect La oxihemoglobina se disocia mas rapidamente cuando la concentración de CO2 aumenta y el pH baja

Curva de disociacion de Oxígeno y hemoglobina CO2 + H2O -> H2CO3 -> H+ + HCO3- Dioxido de carbono Ión de hidrógeno Agua Ácido carbónico Ión de bicarbonato

Transporte de dióxido de carbono 1. 10 % es transportado disuelto en el plasma 2. 30 % es transportado en RBC’s combinado con la hemoglobina 3. 60 % es transportado como iones de bicarbonato en el plasma

Transporte de dióxido de carbono

Acidosis respiratoria El dióxido de carbono se produce mas rápido de lo que se elimina por los pulmones Cualquier condición que interfiera con la remoción de CO2 del cuerpo va a causar acidosis en la sangre por la acumulación de ácido carbonico = depresion del funcionamiento del sistema nervioso

Quimioreceptores en la médula cerebral y en las paredes son sensitivos a cambios en la concentración de CO2, O2 y de iones de H+ Estos sensores son bien sensitivos a cambios en los niveles de CO2 Los sensores son bien sensitivos a cambios en ph causados por cambios en la concentración de CO2 No son tan sensitivos a los niveles de O2 Solamente si los niveles de O2 disminuyen drásticamente es que los quimiosensores en las paredes de la aorta y carótida son estimuladas

Hiperventilación Reduce la concentración de CO2 en el aire alveolar y en la sangre Una cierta cantidad de CO2 es necesaria para mantener la presión sanguinea suficientemente alta para poder estar alerta Decompresión en los buzos Una disminución rapida en presión barométrica puede causar lo que se conoce como la enfermedad de decompresión Los mamíferos marinos tienen altas concentraciones de mioglobina en la sangre

Características que le permiten a los mamíferos marinos permanecer mucho tiempo bajo el agua (a veces mas de una hora!!!) Cuerpo hidrodinámico Dependen de oxigeno en sus pulmones durante la sumergida Exhalan antes de sumergirse – disminuye la flotación además reducen la probabilidad de sufrir daños por descompresión Se comprimen los pulmones al descender Dos veces el volumen de sangre que un mamífero terrestre Altas concentraciones de mioglobina El vaso guarda muchos RBCs que son liberados al sumergirse el animal “gliding” reduce energía

“Diving reflex” – Cuando el mamífero marino llega al limite fisiológico de lo que puede tolerar bajo el agua Disminuye el metabolismo por 20 % Bradycardia (baja el pulso) Redistribución de la sangre a órganos que necesitan mas oxigeno para sobrevivir