Universidad Nacional del Santa

1. 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

2. Fisiología de la Respiración NADH+H Torre de electrones Tan importante como alimento Oxígeno CO2 Respiración • La respiración está compuesta por: • Captación del oxígeno del medio ambiente • Utilización • Producción de CO2 .....

3. Fases de la respiración: • Respiración externa Respiración externa • Transporte de gases Respiración interna • Respiración interna Respiración celular Sistema global de transporte de gases en un vertebrado

4. Estudio de Gases Atmósfera: 78,09 % N 20,95 % O2 0,03 % CO2 Ne, Xe, Kr = 0,002 % N2 = 79,02 O2 = 20,95 C O2 = 0,03 + V H2O 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

5. 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 Px = X P donde: P = PT de la mezcla 100 X = % volumen del gas PO2 = 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 PO2 760 - 55,09 = 704,91 PO2 = 20,95 x 704,91 = 147,67 mmHg = 0,195 atm 100

6. PCO2 = 0,0003 PN2 = 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: A 40 m de profundidad = 5 atm (5 x 80)/100 = 4 atm de presión parcial (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

7. Ley de Henry: La cantidad de gas que se disuelve, es proporcional al coeficiente de solubilidad y a la misma presión del gas Coeficiente de solubilidad de Bunsen V = P . a 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 Gay Lussac- Charles: A una presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional con la Tº. V = Tº V1 T1º pc Una masa de gas, incrementa en 1/27315 veces aproximadamente a 0ºC por cada •C de incremento de Tº

8. Ley de Boyle: Si la masa y la Tº se mantiene constante, el volumen de un gas es indirectamente proporcional a la P. V = P1 V1 P mc Tºc 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

9. M = DA (a1 – a2) X • Las necesidades de O2 y la producción de CO2 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 Consideraciones Generales • El O2 y el CO2 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

10. 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 O2 y extraede CO2 de los tejidos

15. 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 O2 en el aire es 3 000 000 más que en el agua, ya que el agua es 800 veces más densa que el aire • CO2 es 25 veces más Sustancia Constante de difusión Aire 11,0 Agua 0,000034 Músculo 0,000014 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

19. Solubilidad de gases en líquidos: Cualquier gas es soluble en cualquier líquido en alguna proporción. Dependerá de : • Gas en el aire • Temperatura: disminuye al aumentar la temperatura • Presión • Grado de solubilidad del gas Gases Cuanto mayor es la temperatura menor posibilidad de liberar calor tendrá y por lo tanto menor será su solubilidad calor

20. Pigmentos Respiratorios • El O2 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 O2 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 En sangre humana a 95 mm Hg = 2,4 x 95/760 = 0,3 ml O2/100 ml = 0,3 vol% Pero en realidad es de 20 vol %, es decir un incremento de 70 veces . Cada g Hb disuelve 1,34 ml oxígeno

21. Pigmento respiratorio Metal Color Hemoglobina Fe++ Rojo Hemocianina Cu++ Azul Hemeritrina Fe++ Rojo Clorocruorina Fe++ Verde CUADRO COMPARATIVO DE PIGMENTOS RESPIRATORIOS

23. 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 Tasa de captación < que las de su mismo habitat con Hb Antartic fish trout Probablemente las bajas temperaturas han sido un factor importante en la evolución de estos peces

24. A excepción de los ciclóstomos, la Hb tiene un PM de 68000 daltones Contiene cuatro grupos prostéticos de Fe porfirínico hemo unido a la proteína globina Dos cadenas alfa Dos cadenas beta

25. Grupo hemo

29. La mioglobina es equivalente a una subunidad de Hb, es decir una cadena y su grupo hemo, y es el pigmento respiratorio que almacena O2 en los músculos de los vertebrados Hb sin O2, el Fe está en estado ferroso desoxihemoglobina Hb con O2, 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 O2)

31. Desoxihemoglobina Oxihemoglobina Metahemoglobina

32. Modificación estructural de la Hb

33. 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 105 a 106, siendo el P.M. de la subunidad de 60000 a 73000 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 Cu2+ , pudiéndose unir cada par a una molécula de oxígeno. La forma desoxigenada es incolora y las oxigenada es azul  Cu (II) Cu (I) Los nitritos difunden en la hemolinfa, causando una disminución en los niveles del hemocianina, incrementan el nivel de deohemocianina, causando un incremento en la pO2y p50, indicando afinidad reducida

34. 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 Hemocianina cristalizada

35. 1 O2 2Fe III 2 Fe II Hemoeritrina: No presenta grupos hemo, es decir el Fe está unido directamente a la proteína. PM = 13500 – 13900 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

36. 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 O2 Se encuentra en dos familias de poliquetos: Serpulidae y Sabellidae Presenta una alto efecto Bohr, es decir exhiben una baja afinidad para el O2 Presenta mayor efecto cooperativo comparado con la HB Micrografía electrónica de lo clorocruorina

37. 1 mmol hemo se puede unir a un mmol de O2 volumen 24,2 mmol O2 La sangre humana presenta 0,9 mmol hemo/100 ml sangre Transporte de Oxígeno por la sangre O2 O2 Hb Depende de la presión presión parcial del gas O2 O2 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 La capacidad de O2será por lo tanto de: 0,9 x 24,2 = 20,2 vol % O2 Incluye el unido a la Hb como al disuelto en el plasma

40. Capacidad de O2aumenta en proporción a la concentración Hb Para comparar sangres con diferentes contenidos de HB se usa el porcentaje de saturación Expresa el contenido O2 decomo 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 formajustifica el grado de cooperatividad entre sus subunidades. Que significa que la facilidad con la que el O2 se une a la Hb dependerá si ya uno está unido, lo que ocurre cuando hay alto O2 en el medio. Esta cinética permite que se cargue en los pulmones y se decargue en los tejidos donde hay poco O2. Presenta poca afinidad para el O2 .

41. Curvas de disociación

42. Por debajo de una PO2 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 PO2 igual a 40 mmHg, descarga el 25% de su oxígeno, la que se queda unida constituye una reserva que puede ser sustraída en emergencias

46. Una propiedad importante de los pigmentos respiratorios, es que el O2puede 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

47. Eso significa que el O2 debe ser cargado, transportado y descargado Carga y la pO2 a la que ocurre Descarga y la p O2 a la que ocurre TSAT= Tensión de carga, presión O2 a la cual la Hb está saturada en 95% T1/2 SAT = Tensión de descarga, presión del O2 a la cual la Hb está saturada en 50% con O2 y 50% con CO2. Hb con baja afinidad tienen T1/2 SATaltos y con gran afinidad T1/2 SATbajos Sangre oxigenada que abandona los pulmones Sangre desoxigenada que regresa de los tejidos