Appunti Dettagliati su Scambi Gassosi e Principi di Diffusione

Scambio di Gas e Leggi dei Gas

Scambi Gassosi

• Scambio I: Tra atmosfera e polmone.
• Scambio II: Tra polmone e sangue. Avviene a livello degli alveoli.
• Scambio III: Tra sangue e cellule.

Leggi dei Gas (Tabella 17-1)

1. Diffusione per gradiente di pressione: I gas si muovono da aree ad alta pressione verso aree a bassa pressione.

2. Legge di Dalton (Pressioni Parziali): La pressione totale di una miscela di gas è la somma delle pressioni parziali dei singoli gas.

   • P{totale} = PA + P_B + …

3. Legge di Boyle: Se il volume di un contenitore cambia, la pressione del gas cambia inversamente.

Legge di Dalton delle Pressioni Parziali

• La pressione totale di una miscela di gas è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli gas.
• Esempio:
  • Gas A: P_A = 300 \, mmHg
  • Gas B: P_B = 400 \, mmHg
  • Miscela A & B: P = PA + PB = 300 + 400 = 700 \, mmHg

Legge di Henry

• La quantità di gas disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale di quel gas sopra la soluzione.
  • C = kP
    • C = Solubilità del gas (in moli, M)
    • k = Costante di Henry
    • P = Pressione parziale del gas
• Costante di Henry (k) a 25°C:
  • Azoto (N2): 8.42 \cdot 10^{-7} \, M/mmHg
  • Ossigeno (O2): 1.66 \cdot 10^{-6} \, M/mmHg
  • Anidride Carbonica (CO2): 4.48 \cdot 10^{-5} \, M/mmHg

Solubilità di O2 e CO2 in Acqua

• Stato iniziale: Nessun O2 in soluzione.
• Equilibrio: La pressione parziale del gas è uguale in aria e in acqua; tuttavia, le concentrazioni non sono uguali a causa della diversa solubilità.
  • P{O2} = 100 \, mmHg
  • In aria: [O_2] = 5.20 \, mmol/L
  • In acqua: [O_2] = 0.15 \, mmol/L
• La CO2 è più solubile in acqua rispetto all'ossigeno alla stessa pressione parziale.
  • P{CO2} = 100 \, mmHg
  • In aria: [CO_2] = 5.20 \, mmol/L
  • In acqua: [CO_2] = 3.00 \, mmol/L

Solubilità di O2 e CO2 nel Plasma

• Solubilità dell'ossigeno nel plasma:
  • A P{O2} = 100 \, mmHg, [O_2] = 0.15 \, mmol/L
  • A P{O2} = 200 \, mmHg, [O_2] = 0.30 \, mmol/L
• Solubilità dell'anidride carbonica nel plasma:
  • A P{CO2} = 100 \, mmHg, [CO_2] = 3.0 \, mmol/L
  • A P{CO2} = 200 \, mmHg, [CO_2] = 6.0 \, mmol/L

Composizione dell'Aria (Tabella 17-2)

• Pressioni parziali dei gas atmosferici a 760 mmHg.
  • Azoto (N2): 78%
    • Aria secca a 25°C: 593 mmHg
    • Aria umida a 25°C (100% umidità): 574 mmHg
    • Aria umida a 37°C (100% umidità): 556 mmHg
  • Ossigeno (O2): 21%
    • Aria secca a 25°C: 160 mmHg
    • Aria umida a 25°C (100% umidità): 155 mmHg
    • Aria umida a 37°C (100% umidità): 150 mmHg
  • Anidride carbonica (CO2): 0.033%
    • Aria secca a 25°C: 0.25 mmHg
    • Aria umida a 25°C (100% umidità): 0.24 mmHg
    • Aria umida a 37°C (100% umidità): 0.235 mmHg
  • Vapore acqueo:
    • Aria secca a 25°C: 0 mmHg
    • Aria umida a 25°C (100% umidità): 24 mmHg
    • Aria umida a 37°C (100% umidità): 47 mmHg

Pressioni Parziali Tipiche di O2 e CO2 (Tabella 16.1)

Ventilazione Alveolare e Spazio Morto Anatomico

• Zona di conduzione (spazio anatomico morto): Aria "vecchia".
• Alveoli: Scambio con il sangue di CO2 e O2.
• Inspirazione: L'aria vecchia dallo spazio morto passa nella zona respiratoria seguita dall'aria atmosferica.
• Espirazione: Prima espirata l'aria atmosferica dalla zona di conduzione, poi l'aria vecchia.

Volumi di Ventilazione

• Volume corrente: 500 mL
• Spazio morto anatomico: 150 mL
• Aria fresca che raggiunge gli alveoli: 350 mL
• Capacità funzionale residua: 2300 mL

Movimenti di O2 e CO2 nei Tessuti Polmonari e Sistemici

• A livello dei capillari polmonari, l'ossigeno diffonde dagli alveoli al sangue, mentre l'anidride carbonica diffonde dal sangue agli alveoli.
• A livello dei capillari sistemici, l'ossigeno diffonde dal sangue alle cellule, mentre l'anidride carbonica diffonde dalle cellule al sangue.
• In condizioni di riposo:
  • 750 ml/min di O2 e 2700 ml/min di CO2 nei polmoni.
  • 250 ml/min di O2 e 200 ml/min di CO2 nei capillari sistemici.

Processi Respiratori

1. Scambio di ossigeno attraverso l'interfaccia alveolo-capillare.
2. Trasporto di ossigeno.
3. Scambio di ossigeno a livello delle cellule.
4. Respirazione cellulare (produzione di ATP).
5. Scambio di CO2 a livello delle cellule.
6. Trasporto di CO2.
7. Scambio di CO2 attraverso l'interfaccia alveolo-capillare.

Scambi Alveolari per Diffusione Semplice

• Diffusione dell'ossigeno:
  • Alveoli: P{O2} = 100 \, mmHg
  • Sistema circolatorio: P{O2} \leq 40 \, mmHg
  • Tessuto periferico: P{O2} = 40 \, mmHg
• Diffusione di CO2:
  • Alveoli: P{CO2} = 40 \, mmHg
  • Sistema circolatorio: P{CO2} \geq 46 \, mmHg
  • Tessuto periferico: P{CO2} = 46 \, mmHg

Membrana Respiratoria

• Costituita da:
  • Singolo strato di cellule epiteliali di tipo I (rivestono l'alveolo).
  • Singolo strato di cellule endoteliali (rivestono il capillare).
  • Lamine basali alveolare e capillare.
• Spessore medio: 0.5 μm
• Scambio di O2 e CO2 avviene per diffusione semplice.

Trasporto di O2 e CO2 nel Sangue

• O2 trasportato dai capillari polmonari ai capillari sistemici dalle arterie sistemiche.
• CO2 trasportata dai capillari sistemici ai capillari polmonari dalle vene sistemiche.
• Differenza arterovenosa di O2 metabolico: 50 mL/L
• Differenza arterovenosa di CO2 metabolico: 40 mL/L

Equilibrio delle Pressioni Parziali nei Capillari Polmonari

• Il raggiungimento dell'equilibrio delle pressioni parziali di O2 e CO2 avviene entro il 33% della lunghezza dei capillari.
• Sangue venoso misto: Sangue nelle arterie polmonari ritornato al cuore dalle vene sistemiche.

Scambi Tissutali

• O2:
  • Capillari sistemici: P{O2} = 100 \, mmHg
  • Cellule: P{O2} = 40 \, mmHg
• CO2:
  • Capillari sistemici: P{CO2} = 40 \, mmHg
  • Cellule: P{CO2} = 45 \, mmHg

Pressioni Parziali nei Diversi Distretti Corporei

• O2 e CO2 diffondono lungo i loro gradienti di concentrazione, da pressioni parziali alte a basse.
• Nei capillari polmonari, O2 diffonde dagli alveoli al sangue e CO2 dal sangue agli alveoli.
• Nelle cellule, O2 diffonde dal sangue alle cellule e CO2 dalle cellule al sangue.

Accoppiamento Ventilazione-Perfusione

• La ventilazione degli alveoli è accoppiata alla perfusione dei capillari polmonari.
• Se la ventilazione diminuisce (ipoventilazione), P{CO2} aumenta e P{O2} diminuisce.
• La riduzione di P{O2} provoca costrizione delle arteriole, dirottando il sangue verso alveoli meglio ventilati.

Controllo Locale di Arterioles e Bronchioli (Table 17-7)

Fattori che Influenzano lo Scambio dei Gas Alveolari

• Composizione dell'aria inspirata
• Ventilazione alveolare (frequenza e profondità della respirazione, resistenza delle vie aeree, complianza polmonare)
• Diffusione dei gas tra alveoli e sangue (area della superficie, distanza di diffusione, spessore della barriera, quantità di liquido)

Trasporto dell'Ossigeno nel Sangue

• L'ossigeno diffonde dall'aria alveolare al sangue, entra negli eritrociti e si lega all'emoglobina (Hb).
• Nei capillari sistemici, l'emoglobina rilascia l'ossigeno, che diffonde dal sangue alle cellule dei tessuti.
• Formazione dell'ossiemoglobina: Hb + O2 \rightleftharpoons HbO2

Emoglobina

• Una molecola di emoglobina è composta da quattro catene proteiche globiniche, ciascuna con un gruppo eme centrale (anello porfirinico con un atomo di ferro).

Saturazione dell' Emoglobina

• Sangue arterioso:
  • P{O2} = 100 \, mmHg
  • Emoglobina al 98,5% di saturazione.
• Sangue venoso misto:
  • P{O2} = 40 \, mmHg
  • Emoglobina al 75% di saturazione.

Trasporto di O2 in Assenza e Presenza di Emoglobina

(a) Senza emoglobina: P{O2} alveolare = P{O2} arteriosa = 100 mmHg. Solo O2 disciolto nel plasma (3 mL O2/L sangue).
(b) Con emoglobina: P{O2} = 100 mmHg, O2 disciolto nel plasma = 3mL O2/L sangue. Eritrociti trasportano il 98% , capacità totale = 200 mL O2/L sangue.
(c) Con emoglobina e P{O2} ridotta: P{O2} = 28 mmHg, O2 disciolto nel plasma = 3mL O2/L sangue. Eritrociti trasportano il 50% , capacità totale = 100.3 mL O2/L sangue.

Fattori che Influenzano la Quantità di O2 Legata all'Emoglobina

• P{O2} plasmatico.
• Quantità di emoglobina (contenuto di Hb per eritrocita e numero di eritrociti).
• Percentuale di saturazione dell'emoglobina.

Curve di Dissociazione dell'Emoglobina e Mioglobina

• La curva di dissociazione dell'emoglobina mostra la relazione tra la pressione parziale dell'ossigeno e la saturazione dell'emoglobina.
• Nel sangue arterioso, l'emoglobina è saturata al 98% circa, mentre nel sangue venoso misto è saturata al 75% circa.

Modulazione dell'Affinità dell'Emoglobina per l'O2

• Spostamento della curva a destra: Diminuita affinità, aumentato rilascio di O2.
• Spostamento della curva a sinistra: Aumentata affinità, diminuito rilascio di O2.

Effetti di Temperatura e pH sulla Curva di Dissociazione

• Aumento della temperatura: Diminuisce l'affinità, sposta la curva a destra.
• Diminuzione della temperatura: Aumenta l'affinità, sposta la curva a sinistra.
• Aumento del pH: Aumenta l'affinità, sposta la curva a sinistra.
• Diminuzione del pH: Diminuisce l'affinità, sposta la curva a destra.

Effetti di PCO2, [H+], Temperatura e 2,3-DPG

• Aumento di P{CO2}, temperatura, [H+] e 2,3-DPG sposta la curva di dissociazione verso destra (diminuisce l'affinità).
• Diminuzione di questi fattori sposta la curva verso sinistra (aumenta l'affinità).

Emoglobina Fetale

• L'emoglobina fetale (HbF) ha una affinità maggiore per l'O2 rispetto all'emoglobina materna (HbA), permettendo un più efficiente trasferimento di O2 dalla madre al feto.

Effetti del Monossido di Carbonio (CO)

• Avvelenamento da CO riduce la capacità di trasporto dell'O2 nel sangue.
  *

Trasporto dell'Anidride Carbonica

• CO2 prodotta nei tessuti diffonde nel sangue e negli eritrociti.
  • La maggior parte si trasforma in bicarbonato (HCO_3^-, reazione catalizzata dall'anidrasi carbonica).
  • Una parte si lega all'emoglobina.
  • Una parte rimane disciolta nel sangue.
• Nei polmoni, CO2 diffonde dal sangue all'aria alveolare.

Modalità di Trasporto e Percentuale

• Disciolta nel sangue: ~7%
• Disciolta come bicarbonato: ~70%
• Legata all'emoglobina (carboaminoemoglobina): ~23%

Effetto della Po2 sul Trasporto di CO2

• Un aumento della P{O2} nel sangue diminuisce l'affinità dell'emoglobina per l'anidride carbonica, riducendo la capacità del sangue di trasportare anidride carbonica.

Effetto Bohr e Haldane

• Effetto Bohr: L'aumento di P{CO2} e [H+] nei tessuti diminuisce l'affinità dell'emoglobina per l'O2, facilitando il rilascio di O2.
• Effetto Haldane: La diminuzione della P{O2} e l'aumento di P{CO2} nei tessuti favoriscono il legame di CO2 all'emoglobina e il rilascio di O2.

Effetti Combinati di O2 e CO2

(a) Nei tessuti sistemici, al diminuire della P{O2} e all'aumentare della P{CO2}, aumentano il legame dell'anidride carbonica e la liberazione di ossigeno.

(b) Nei polmoni, all'aumentare della P{O2} e al diminuire della P{CO2}, si ha liberazione di anidride carbonica e legame dell'ossigeno.

Riassunto del Trasporto di O2 e CO2

• Aria secca: P{O2} = 160 \, mmHg, P{CO2} = 0.25 \, mmHg
• Alveoli: P{O2} = 100 \, mmHg, P{CO2} = 40 \, mmHg
• Sangue arterioso: P{O2} = 100 \, mmHg, P{CO2} = 40 \, mmHg
• Sangue venoso: P{O2} = 40 \, mmHg, P{CO2} = 46 \, mmHg
• Cellula: P{O2} \leq 40 \, mmHg, P{CO2} \geq 46 \, mmHg

Concetti Chiave in Fisiologia Respiratoria (Tabella 16.2)