bio2a03-respiration lecture notes

67
2. respira*on Cellular respira+on. Metabolic processes within cells. e.g. C 6 H 12 O 6 +6 H 2 O+ 6O 2 12H 2 O+ 6CO 2 + 38 ATP 1. respira*on Gas exchange. Movement of O 2 from environment to cell (mitochondria) and movement of CO 2 in opposite direc*on Two meanings of the term “respira*on” (both are correct) Metabolism: Ch 3 pages 7290 External respira*on Internal respira*on RESPIRATION Chapters 16 and 17

Upload: jeevikagoyal

Post on 06-May-2017

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

2.                                respira*on  Cellular  respira+on.  Metabolic  processes  within  cells.  e.g.  C6H12O6  +6  H2O+  6O2  à  12H2O  +  6CO2  +  38  ATP    

1.                                  respira*on  Gas  exchange.  Movement  of  O2  from  environment  to  cell  (mitochondria)  and  movement  of  CO2  in  opposite  direc*on    

Two  meanings  of  the  term  “respira*on”  (both  are  correct)  

Metabolism:  Ch  3  pages  72-­‐90  

External    respira*on  

Internal    respira*on  

RESPIRATION  

Chapters  16  and  17  

Karen
Typewritten Text
external
Karen
Typewritten Text
internal
Page 2: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Oxygen  Transport  Pathway    (also  called  the  O2  cascade)    The  sequen*al  series  of  ‘steps’  involved  in  moving  oxygen  from  the  environment  to  mitochondria  in  cells    CO2  moves  along  the  same  pathway,  but  in  the  opposite  direc*on    The  following  series  of  lectures  will  focus  on  the  importance  of  ven*la*on,  pulmonary  diffusion,  and  blood  gas  transport  for  gas  exchange  and  acid-­‐base  homeostasis  

EXTERNAL  RESPIRATION  

Ven*la*on    

Pulmonary  Diffusion  

   

Circula*on      

Tissue  Diffusion  

   

Cellular  U*liza*on  

or  Produc*on  

Page 3: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

RESPIRATION  LEARNING  OBJECTIVES  •  Differences between external and internal respiration •  Major structures of the respiratory tract, and their function •  Structure and gas-exchange function of the alveoli and

respiratory membrane •  Role of pulmonary surfactant •  The breathing cycle, different lung volumes and capacities, total

and alveolar ventilation, breathing frequency •  Neural mechanisms that establish the respiratory rhythm and

those that modify it (chemoreceptors) •  Transport pathways for oxygen and carbon dioxide, and the

partial pressures of each throughout the pathway •  Mechanisms of oxygen and carbon dioxide transport in the blood,

including the function of haemoglobin •  Relationship between CO2 and pH in the blood •  Respiratory and other compensatory mechanisms that help

maintain acid-base homeostasis

Page 4: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

_________  zone  -­‐  No  gas  exchange  between  air  &  blood  here    

__________  zone  –  Site  of  gas  exchange  

Anatomy  of  the  respiratory  tract  

Fig.  16-­‐2  

Karen
Typewritten Text
conducting
Karen
Typewritten Text
respiratory
Page 5: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Conduc*ng  Zone.  Reinforced  with  _______  and  smooth  muscle    

Respiratory  Zone.  Lidle  car*lage  or  smooth  muscle  -­‐  allows  for  ___  ________  with  blood  

Fig.  16-­‐3  

Anatomical  features  

30  Million  alveoli  –  100m2  Surface  Area    

|<-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  sm

ooth  m

uscle  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐>|  

|<-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐  car*lage  -­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐-­‐>

|  

Karen
Typewritten Text
cartilage
Karen
Typewritten Text
gas exchange
Page 6: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Important  Conduc*ng  Zone  Func*ons  

The  ‘epiglohs’  at  the  opening  of  larynx  prevents  food  from  entering  trachea.  Larynx  also  contains  the  __________.    

Car*lage  and  smooth  muscle  provide  strength,  which  prevents  airway  collapse  during  inspira*on  

Warms  air  to  37oC  and  humidifies  it  to  100%  rela*ve  humidity  

Cleanses  air  –  epithelium  creates  mucus  and  sweeps  it  upwards  (the  “mucus  escalator”);  ___________  ingest  par*cles  

Smooth  muscle  in  bronchioles  constrict/relax  to  vary  resistance  to  air  flow          SNS  ===>  NE  ===>  β2-­‐adrenergic  receptors  -­‐  bronchodila*on        PSNS  ===>ACH  ===>muscarinic  receptors  -­‐  bronchoconstric*on  

Karen
Typewritten Text
vocal chords
Karen
Typewritten Text
macrophages
Page 7: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  Respiratory  Zone  –  site  of  O2  &  CO2  exchange  with  blood  

Alveoli  are  arranged  in  clusters  connected  by  pores  to  allow  equaliza*on  of  ________  in  the  lungs  

Type  I  cells  =  epithelial  layer  

Type  II  cells  =  produce  surfactant  Macrophages  =  engulf  foreign    par*cles  and  pathogens  

Fig.  16-­‐5  

Karen
Typewritten Text
pressure
Page 8: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  Respiratory  Membrane  

The  Respiratory  Zone  –  site  of  O2  &  CO2  exchange  with  blood  

Fig.  16-­‐4  

•  Separates  the  air  in  the  alveoli  from  blood  in  the  capillaries  

•  Extremely  thin  

Page 9: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

•  Alveoli  accomplish  90%  of  gas  exchange    

•  Respiratory  bronchioles  •  Alveolar  ducts   Only  10%  of  exchange  

Reduced  by  __________  (e.g.,  emphysema)  

The  alveolar  surface  is  moist    à High  _____________  at  air-­‐water                interface  

Alveoli  are  small  (radius  ~  0.1  mm)  

Surface  tension  creates  an  innate  tendency  for  alveoli  to  collapse  

LePlace’s  Law:  Pressure  necessary  to  prevent  collapse  =  2T  /  r  

T=  surface  tension,    r  =  alveolus’s  radius  

The  Respiratory  Zone  –  site  of  O2  &  CO2  exchange  with  blood  

Karen
Typewritten Text
lung disease
Karen
Typewritten Text
surface tension
Page 10: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Alveolar  “Type  II  Cells”  secrete  surfactant  (a  protein  +  phospholipid  =  ________-­‐like  substance)  which  reduces  surface  tension  by  up  to  90%  

Nega*ve  pressure  outside  the  alveoli  (-­‐4  mm  Hg  below  atmospheric  pressure)  in  the  intrapleural  space  also  helps  to  hold  the  alveoli  open  The  other  func*on  of  the  intrapleural  space  is  to  serve  as  flexible,  lubricated  connec*on  between  the  lungs  and  the  thoracic  wall  

Factors  preven*ng  alveolar  collapse  1.  Without  surfactant  a  smaller  alveolus  will  collapse  

2.  Surfactant  is  more  highly  concentrated  in  smaller  alveoli,  reducing  T  =  no  collapse  

Note:  “Respiratory  Distress  Syndrome”  (RDS)  in  pre-­‐mature  babies  is  due  to  inadequate  surfactant.  

1.   2.  

Pulmonary  surfactant  toolbox,  p.  467/463  

Karen
Typewritten Text
detergent
Page 11: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Pressure  in  Intrapleural  space  -­‐  756mmHg    (-­‐4mmHg  rela*ve  to  outside  air)  

Chest  Wall  and  Pleural  Sac  

Parietal  pleura          Adached  to  thorax  

Intrapleural  space          Fluid  (mucus)  

Visceral  pleura          Adached  to  lung  wall  

Pressure  in  Alveoli  -­‐  760mmHg  (same  as  outside  air)  

Consider  a  res2ng  lung    (no  airflow,  a?er  exhala+on)…  

Fig.  16-­‐7  

Fig.  16-­‐8  

Page 12: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Chest  Wall  and  Pleural  Sac  

Fig  16-­‐9  

Pneumothorax  -­‐  a  rupture  which  connects  the  __________  space  to  the  outside  atmosphere.  

The  flexible,  lubricated  connec*on  created  by  the  _______  pressure  in  the  intrapleural  space  ensures  that  when  the  thorax  changes  size  during  breathing,  the  lungs  will  follow  

This  eliminates  the  nega*ve  pressure  and  breathing    becomes    ineffec*ve  and  the  lung  may  collapse.    

Each  lung  has  its  own  pleural  sac,  so  the  opposite  lung  will  not  collapse  

Karen
Typewritten Text
(-))
Karen
Typewritten Text
intrapleural
Page 13: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Breathing  Cycle  –  alveolar  pressure  and  volume  

Expansion  of  chest  wall  during  inspira*on  reduces  alveolar  pressure  (Palv)    à  Numbers  shown  are  the    

differences  from  Patm  (atmospheric  pressure)  

Rebound  of  chest  wall  during  expira*on  increases  alveoli  pressure  

Air  flow  =          Patm  –  Palv      R  

Boyle’s  Law  Pressure  α  1  /  Volume  

Fig  16-­‐10  

Page 14: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Inhala*on  –  Always  an  _____  process  (rest  and  exercise)  

Breathing  Cycle  

External  intercostal  muscles  pull  ribs  upwards  and  outwards  

Diaphragm  shortens  and  moves  _____  

sternum  

With  Inhala*on:    1.  Thoracic  volume  increases    2.  Lung  volume  increases    3.  Nega*ve  pressure  is  created    4.  Air  flows  in  from  atmosphere  

Fig  16-­‐11  

Karen
Typewritten Text
acitve
Karen
Typewritten Text
down
Page 15: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

•  Internal  intercostal  muscles  contract  to  pull  ribs  in  and  down  

•  Abdominal  muscles  contract,  pushing  “guts”  in  and  displacing  diaphragm  upwards  

Exhala*on  –  ______  during  quiet  breathing  (i.e.,  at  rest)  

Exhala*on  –  ______  during  intense  breathing  (e.g.,  exercise)                                                      

•  Due  to  elas*c  recoil  of  thoracic  &  lung  components  

Breathing  Cycle  

With  Exhala*on:    1.  Thoracic  &  lung  volumes  decrease    2.  Posi*ve  pressure  is  created    3.  Air  flows  out  to  atmosphere  

Karen
Typewritten Text
passive
Karen
Typewritten Text
active
Page 16: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Spirometry  –  lung  volumes  and  capaci*es  

Pulmonary  func*on  can  be  assessed  by  measuring  lung  volumes  and  capaci*es  by  spirometry  

Fig  16-­‐15  

Page 17: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Tidal  Volume  (VT)  =  Amount  of  air  breathed  in  and  out  on  a  single  breath  ~  0.5  L  Inspiratory  Reserve  Volume  (IRV)  =  Maximum  inhaled  above  a  normal  inhala*on  ~  3  L  Expiratory  Reserve  Vol.  (ERV)  =  Maximum  exhaled  beyond  a  normal  exhala*on  ~  1  L  Residual  Volume  (RV)  =  Volume  of  air  in  lungs  that  cannot  be  exhaled  ~  1.2  L  Inspiratory  Capacity  (IC)  =  Maximum  inhaled  above  a  normal  exhala*on  ~  3.5  L    Func*onal  Residual  Capacity  (FRC)  =  Volume  in  lungs  axer  a  normal  exhala*on  ~  2.2  L  Vital  Capacity  (VC)  =  Maximum  inhaled  axer  a  maximal  exhala*on  ~  4.5  L  Total  Lung  Capacity  (TLC)  =  VC  +  RV,  ~  5.7  L  

Spirometer record

Fig  16-­‐16  

Page 18: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Total  Ven*la*on  (VTot)  =  Total  air  flow  into  (and  out  of)  the  _________  ______  per  minute  (‘minute  ven*la*on’)  

 

                                                                                 =  Tidal  Volume  (VT)  x  Breathing  Frequency  (fR)    

e.g.,    6750  ml/min          =            450  ml            x            15  /  min  

Anatomical  Dead  Space  –  the  volume  of  air  lex  in  the  conduc*ng  zone  axer  each  breath  –  leads  to  the  difference  between  VTot  and  VA  

e.g.,    4500  ml/min  =  [    450  ml    -­‐    150  ml    ]      x      15/min  

Alveolar  venHlaHon  dictates  gas  exchange  

Alveolar  Ven*la*on  (VA)  =  Total  air  flow  into  (and  out  of)  the  ______  per  minute  

                                                                                         =  [VT  -­‐  Dead  Space  Volume  (VD)]  x  fR  

Ven*la*on  

Karen
Typewritten Text
respiratory
Karen
Typewritten Text
system
Karen
Typewritten Text
alveloi
Page 19: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Anatomical  Dead  Space  

Fig  16-­‐19  

Page 20: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

300  ml  of  “new”  air  is  mixing  with  the  2500  ml  func*onal  residual  capacity,  which  contains  “old”  air  

DiluHon  =                          300  ml  new                                  =  ~  10%                                          300  ml  new  +  2500  ml  old    

à  Only  ~  _____  replacement  of  alveolar  air  per  breath  at  rest  

Consequence:  Alveolar  O2  is  lower  and  alveolar  CO2  is  higher  than  in  outside  air  

Increases  in  *dal  volume  (e.g.,  during  exercise)  bring  alveolar  O2  and  alveolar  CO2  values  closer  to  those  in  outside  air  

The  func*onal  residual  capacity  includes  the  volume  remaining  in  both  the  conduc*ng  zone  (i.e.,  anatomical  dead  space)  &  alveoli  

Karen
Typewritten Text
10
Page 21: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Alveolar  ven*la*on  (VA)  =  fR  x  (VT  –  VD)    =  12  breaths/min    x    (500  ml  -­‐  150  ml)  =  4200  ml/min  

Doubling  fR:      VA  =  8,400    ml/min  Doubling  VT:    VA  =  10,200    ml/min  

It  is  beVer  for  gas  exchange  to  increase  VT  than  to  increase  fR  

Which  leads  to  a  greater  improvement  in  gas  exchange,  increases  in  2dal  volume  or  increases  in  breathing  frequency?  

Page 22: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Diffusion  of  gases  What  dictates  the  diffusion  of  gases  across  the  respiratory  membrane  ?  

Ven*la*on    

Pulmonary  Diffusion  

   

Circula*on      

Tissue  Diffusion  

   

Cellular  U*liza*on  

or  Produc*on  

Page 23: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Diffusion  of  gases  

T:  Membrane  thickness  A:  Surface  area  K:  Permeability  gas  constant  

Diffusion  rate  =  K  Î  A  Î  ΔP  T  

ΔP:  ParHal  pressure  gradient  

What  dictates  the  diffusion  of  gases  across  the  respiratory  membrane  ?  

Fig  17-­‐2  

Page 24: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Par*al  Pressure  –  A  measure  of  the  _____________  ______  of  gas  molecules  

Dalton’s  Law:    Total  pressure  =  sum  of  par*al  pressures  

Total  (barometric)  air  pressure    ≈  760  mm  Hg  =  760  Torr          =  PN2    +    PO2    +    PCO2    +  PH2O  

         =  563  +    150  +      0.2      +    47  (depends  on  RH)         “Torr”  =  in  honour  of  Torricelli,  

inventor  of  barometer  

ParHal  pressure  of  gases  

 diffuse  Gases    dissolve  according  to  their  par*al  pressures,  not  

 react              necessarily  according  to  their  concentra*ons  

Karen
Typewritten Text
thermodynamic activity
Page 25: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

In  the  air  phase,  we  can  calculate  par*al  pressure  as  

Par*al  Pressure  =  Total  Pressure  Î  Volume  (Mole)  Frac*on  

Remember:    •  Equal  moles  of  gases  occupy  equal  volumes  •  1  mole  of  any  gas  occupies  22.4  L  at  S.T.P.  

Dry  Room  Air:                                              PO2  =  760  Torr          x          21%  (210  ml  O2  /  1000  ml  air)                                                        =  160  Torr  

PCO2  =  760  Torr          x          0.03%  (0.3  ml  CO2  /  1000  ml  air)                =  0.23  Torr  

ParHal  pressure  of  gases  

Page 26: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

In  a  fluid  phase,  the  situa*on  is  more  complicated  

The  par*al  pressure  of  a  gas  that  is  dissolved  in  a  liquid  is  equal  to  the  par*al  pressure  of  that  gas  in  the  air  phase  with  which  the  fluid  is  in  _________  

Henry’s          Concentra*on  of      =          Par*al        Î    Solubility        Law:                    a  dissolved  gas                    Pressure                                  Coefficient  

PO2  =  150  Torr   PO2  =  150  Torr  

PO2  =  0  Torr   PO2  =  150  Torr  

ParHal  pressure  of  gases  

Fig  17-­‐3  

[Oxygen]  in  water  =    150  Torr    x                                    =                0.034  ml  O2                                  5.1  ml  O2    1000  ml  water    .  Torr      1000  ml  water  

[Oxygen]  in  air  =    21%  of  every  litre  of  air  =                  210  ml  O2              1000  ml  air  

The  capacity  of  water  to  hold  O2  is  much  lower  than  that  of  air  

Karen
Typewritten Text
equilibrium
Page 27: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Carbon  dioxide  is  about  ___  more  soluble  than  O2  in  water  

The  capacity  of  water  to  hold  CO2  is  comparable  to  that  of  air  

For  both  O2  and  CO2  (and  all  gases)  they  diffuse  according  to  their  par*al  pressures,  not  according  to  their  concentra*ons  

[CO2]  in  water  =    0.3  Torr    x                    =                    0.67  ml  CO2                                      0.2  ml  CO2    1000  ml  water    .  Torr      1000  ml  water  

[CO2]  in  air  =    0.03%  of  every  litre  of  air  =      

ParHal  pressure  of  gases  

           0.3  ml  CO2              1000  ml  air  

Karen
Typewritten Text
20
Page 28: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Diffusion  of  gases  

Diffusion  rate  =  K  Î  A  Î  ΔP  T  

Diffusion  occurs  down  the  gas’  parHal  pressure  (ΔP)  gradient:            ΔPO2  =  Alveolar  PO2  –  Blood  PO2            ΔPCO2  =  Blood  PCO2  –  Alveolar  PCO2  

Differences  in  par+al  pressure  between  alveoli  and  blood  drive  diffusion    

Fig  17-­‐2  

Page 29: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  par*al  pressure  of  O2  drops  with  each  step  in  the  O2  transport  pathway  

PO2  at  the  ___________  must  remain  high  enough  to  support  ATP  synthesis  

Oxygen  cascade  

Ven*la*on    

Pulmonary  Diffusion  

   

Circula*on      

Tissue  Diffusion  

   

Cellular  U*liza*on  

O2  Par*al  Pressure  (kPa)  

There  is  a  minimum  PO2  at  which  mitochondria  can  func*on  

Karen
Typewritten Text
mitochondria
Page 30: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

1.  Alveolar  par*al  pressures  are  very  different  from  outside  air  

PO2  160   PCO2  

0.3  100  

40  2.  Par*al  pressures  are  very  similar  in  alveolar  air  and  the  blood  leaving  the  lungs  (slightly  less  in  blood)  

100  40  

3.  Par*al  pressures  are  the  same  in  blood  leaving  the  lungs  and  entering  the  ______________beds  

100  40  

2.  Pul.  veins  

3.  Systemic  art.  

4.  Par*al  pressures  in  cells  very  different  from  blood  

1.  Alveolar  air  

4.  cells  

≥46  ≤40  

All  in    mmHg  (Torr)  

46  40  

5.  Systemic  veins  

5.  Par*al  pressures  are  the  same  in  “venous”  blood  leaving  the  systemic  capillaries  &  entering  the  pulmonary  capillary  beds  

46  40  

5.  Pul.  Art.  

1.  Atmospheric  air  

Fig  17-­‐4  See  Table  17-­‐1  

O2  and  CO2  par*al  pressures    

Karen
Typewritten Text
systemic capillary
Page 31: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Fig  17-­‐5  

O2  and  CO2  par*al  pressures    Diffusion  is  rapid  at  lungs  and  blood  equilibrates  in  ~0.25  seconds  with  alveolar  air.  

Leaves  a  large  “safety  margin”    to  accommodate  increases  in  the  rate  of  blood  flow  

Page 32: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

____%  -­‐  physically  dissolved  in  plasma  and  RBC  cytoplasm  

____%  -­‐  chemically  combined  with  haemoglobin  (Hb)  

280  x  106  Hb  molecules  per  RBC    4  O2  molecules  bound  per  Hb  molecule  

~  109  O2  molecules  per  RBC  ~  5  x  109  RBC’s  per  ml  of  blood  

~  5  x  1018  O2  molecules  per  ml  of  blood  (at  100%  satura*on)  

Hb  drama*cally  increases  the  blood’s  ability  to  carry  O2  (rela*ve  to  plasma/water),  so  it  is  comparable  to  air  (0.21  ml  O2  per  ml  of  air)    

Transport  of  oxygen  in  the  blood  

~  6  x  1023  O2  molecules  per  mole,  ~  22.4  litres  per  mole  

~  0.2  ml  O2  per  ml  of  blood    

Karen
Typewritten Text
1.5
Karen
Typewritten Text
98.54
Page 33: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Hb  exhibits  the  property  of  allosteric  modula*on  =  “binding  at  one  site  on  a  molecule  affects  binding  at  a  second  site,  usually  by  changing  the  shape  of  the  molecule.”  

Hb  is  a  _______  (M.W.  ~  68,000),  composed  of  4  similar  units  

Each  unit  consists  of  a  “heme”  ring  structure  that  binds  1  O2  and  a  polypep*de  chain  (“globin”)  that  binds  CO2,  H+,  phosphates,  etc.  

Fig  15-­‐3  

Haemoglobin  (recall  lectures  6  &  7)  

1  Hb  protein  =  4  globins  (2α  chains  and  2β  chains)  +  4  hemes    

Karen
Typewritten Text
tetramer
Page 34: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Transport  of  oxygen  via  haemoglobin  

As  blood  passes  through  the  lungs  the  high  PO2  promotes  the  forma*on  of  “_____________”  

Fig  17-­‐6  

Hb  leaving  the  lungs  is  ~98%  saturated  with  O2.  Almost  all  of  the  binding  sites  are  occupied  

Fig  17-­‐7  

Karen
Typewritten Text
oxyhemoglobin
Page 35: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Transport  of  oxygen  via  haemoglobin  

As  blood  passes  through  the  *ssues,  the  low  PO2  promotes  the  forma*on  of  “________________”  

Fig  17-­‐6  

Hb  becomes  desaturated  at  the  *ssues.  At  rest,  only  75%  of  the  binding  sites  of  Hb  are  occupied  by  O2  axer  leaving  the  *ssues    

Fig  17-­‐7  

Karen
Typewritten Text
deoxyhemoglobin
Page 36: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

1.  O2  bound  to  Hb  does  not    contribute  directly  to  blood  PO2,  only  dissolved  O2  does  

2.  O2  bound  to  Hb  does  contribute  to  the  total  concentra*on  of  O2  that  is  available  to  diffuse  

As  discussed  earlier,  diffusion  is  a  func*on  of  the  par*al  pressure  gradient,  which  is  dictated  by  the  dissolved  oxygen  frac*on.  

Transport  of  oxygen  in  the  blood  

[O2]=[O2]   [O2]<[O2]  

Page 37: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

-­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐        -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐  -­‐  -­‐    -­‐  

Fe2+  

Fe2+  

Fe2+  

Fe2+  

-­‐  NH2  

-­‐  NH2  

-­‐  NH2  -­‐  NH2  

-­‐  -­‐  -­‐  -­‐  

-­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐        -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐  -­‐  -­‐    -­‐  

-­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐        -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐  -­‐  -­‐    -­‐  

-­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐        -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐    -­‐  -­‐  -­‐    -­‐  X   X   X   X  X  

X   X   X   X   X  

X   X   X   X   X  

X   X   X   X   X  

O2  

O2  

O2  

O2  

Hemes                                                Globins  

CO2  

CO2  

CO2  

CO2  H+   H+   H+   H+   H+  

H+   H+   H+   H+   H+  P   P   P   P   P  

P   P   P   P   P  

H+,  CO2,  &  phosphate  are  nega*ve  allosteric  modulators  of  O2  binding  

O2  is  a  nega*ve  allosteric  modulator  of  H+,  CO2,  &  phosphate  binding  

Therefore  O2  is  a  _______  allosteric  modulator  for  further  O2    binding  

________  co-­‐opera*vity:  the    1st  O2  helps  the  2nd,  &  the  2nd  helps  the  3rd;  the  4th  is  not  helped    

A  “func*onal”  model  of  Hb  

Increase  in  temperature  weakens  the  ionic  bond  between  Fe2+  and  O2  

Karen
Typewritten Text
allosteric
Karen
Typewritten Text
+
Page 38: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Allosteric  co-­‐opera*vity  is  the  reason  for  the  ________  (S-­‐shaped)  “O2  equilibrium  curve”  (also  called  the  “O2  dissocia*on  curve”)  of  the  blood.  

1  

2  

3  

4  

Fig  17-­‐8  

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

0  

50  

100  

150  

200  

ml  O

2  per  100

0  ml  blood

 

Veno

us  re

serve  

Loading  point  

Unloading  point  

PaO2  PvO2  

At  rest,  only  25%  of  the  O2  bound  by  Hb  is  offloaded  at  the  *ssues.  50  ml  of  O2  leaves  each  L  of  blood    

75%  of  the  O2  remains  as  a  “venous  reserve”    

At  rest  

Karen
Typewritten Text
sigmoidal
Page 39: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

Fig  17-­‐8  

The  affinity  of  Hb  for  O2  affects  the  shape  of  the  curve  

O2  affinity  is  quan*fied  by  calcula*ng  the  “P50”  –  the  PO2  at  which  Hb  is  _____  %  saturated  

P50  ~  25  Torr  ~  32  Torr  

~  42  Torr  

Hb  with  a  higher  affinity  has  a  lower  P50  

Karen
Typewritten Text
50
Page 40: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

1.  Flat  region  at  top  provides  an  important  ___________for  O2  loading  if  arterial  PO2  (PaO2)  falls  (e.g.,  high  al*tude,  respiratory  disease,  etc.)  

1   2.  Knee  and  steep  part  is  ideally  located  to  enhance  O2  unloading  during  exercise,  with  only  a  rela*vely  small  decrease  in  venous  PO2  (PvO2)  and  therefore  *ssue  PO2  2  

PvO2  rest  PvO2  exercise  

3.  @  rest  40  Torr      à  ~75  %  Hb-­‐O2  

       @  exercise  20  Torr      à  ~35  %  Hb-­‐O2  

Exercise  

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

3  

Fig  17-­‐8  

Karen
Typewritten Text
safety margin
Page 41: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  Bohr  shi`  improves  O2  unloading  during  exercise:  

1.  An  increase  in  PvCO2  shixs  the  curve  to  the  right  à  Caused  by  increased  

*ssue  ____________  

2.  A  decrease  in  venous  pH  also  shixs  the  curve  to  the  right  

à  [H+]  increases  from  lac*c  acid  and  CO2  produc*on  in  the  *ssues:        CO2  +  H2O  à  H+  +  HCO3

-­‐  

 (we  will  come  back  to  this)  

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

Fig  17-­‐10  

Karen
Typewritten Text
CO2 production
Page 42: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Increases  in  blood  temperature  shix  the  curve  to  the  right,  and  thus  enhance  unloading  of  O2  

Ac*ve  muscle  warms  up,  increasing  the  temperature  of  blood  in  the  capillaries  

Increases  in  temperature  improve  O2  unloading  during  exercise:  

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

Fig  17-­‐10  

The  combined  effects  of  temperature  and  the  Bohr  shix  during  exercise  can  increase  O2  unloading  to  90%  (i.e.,  venous  reserve  reduced  to  10%)  

Page 43: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Organic  phosphate  molecules  are  also  important  _______  allosteric  modifiers  of  O2  binding,  but  play  lidle  role  during  exercise  

Mammals    -­‐  2,3-­‐diphosphoglycerate  (2,3-­‐DPG)  Birds  -­‐  IP5  (inositol  pentaphosphate)  Fish  &  amphibians  -­‐  ATP  &  GTP  

Increases  in  RBC  [phosphate]  generally  shix  the  curve  to  ____.      

The  Hb-­‐oxygen  equilibrium  curve  

Fetal  mammals  use  a  different  Hb  than  adult  mammals,  in  which  2  gamma  chains  are  used  instead  of  2  beta  chains  

Fetal  Hb  is  insensi*ve  to  2,3-­‐DPG  and  therefore  has  a  higher  affinity  for  O2  than  maternal  Hb          à  facilitates  O2  transfer  across  the  placenta  

1  fetal  Hb  =  2α  chains  +  2γ  chains  +  4  heme  groups    

Karen
Typewritten Text
-
Karen
Typewritten Text
right
Page 44: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

There  is  a  lot  more  CO2  than  O2  in  the  blood    

1.  10  %  is  physically  dissolved  in  plasma  and  RBC  cytoplasm  

1

2

2.  30%  binds  Hb  to  form  carbamino-­‐CO2  

3

3.  60%  is  transported  as  HCO3-­‐  

ion,  mainly  dissolved  in  plasma  

Carbonic  anhydrase  (CA),  which  catalyzes  the  above  reac*on,  is  the  second  most  abundant  protein  in  erythrocytes  axer  Hb  

3B  

3A.  Buffered  by  Hb  

3B.  Moves  into  plasma  in  exchange  for  Cl-­‐  

Transport  of  carbon  dioxide  in  the  blood  

CO2  +  H2O                H2CO3                HCO3-­‐  +  H+  CA  

fast  

3A  

Fig  17-­‐11  

Page 45: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Both  of  these  reac*ons  shix  the  O2  equilibrium  curve  to  the  right,    thereby  helping  to  unload  O2.  

“Band  3”  protein  for  Cl-­‐/HCO3-­‐  

exchange  =  ___________  

Fig  17-­‐11  

Most  bicarbonate  transported  in  plasma  

Driving  pressure  for  diffusion:  Cells  (>46  Torr)  à  capillary  (40  Torr)  

HCO3-­‐  

Transport  of  carbon  dioxide  in  the  blood  

Karen
Typewritten Text
chloride shift
Page 46: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Both  of  these  reac*ons  shix  the  O2  equilibrium  curve  to  the  lex,  thereby  helping  to  load  O2.  

Fig  17-­‐11  

Driving  pressure  for  CO2  Blood  (46  Torr)  à  alveoli  (40  Torr)  

Lungs  

Cl-­‐/HCO3-­‐  exchange  reversed  

Bicarbonate  moves  from  plasma  to  rbc  and  converted  to  CO2  

Transport  of  carbon  dioxide  in  the  blood  

Page 47: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

The  Haldane  Effect  

The  addi*on  of  O2  to  the  Hb  helps  to  ______  CO2  and  H+  at  the  pulmonary  capillaries  

The  removal  of  O2  from  the  Hb  helps  to  load  CO2  and  H+  at  the  systemic    capillaries    

Although  these  effects  are  small  at  rest,  they  become  more  pronounced  during  exercise  

‘Mirror  image’  of  the  ____  Effect  (both  are  nega*ve  allosteric  effects)  

Fig  17-­‐12  

Transport  of  carbon  dioxide  in  the  blood  

Karen
Typewritten Text
Bohr
Karen
Typewritten Text
unload
Page 48: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Transport  of  gases  in  the  blood  

As  blood  passes  through  pulmonary  capillaries:    Increasing  PO2;  Decreasing  PCO2  and  [H+]    The  O2  equilibrium  curve  shixs  lex,  which  accentuates  O2  loading  and  CO2  unloading  

As  blood  passes  through  systemic  capillaries:    Decreasing  PO2;  Increasing  PCO2  and  [H+]    The  O2  equilibrium  curve  shixs  right,  which  accentuates  O2  unloading  and  CO2  loading  

The  Bohr  and  Haldane  Effects  (as  well  as  temperature  effects)  facilitate  gas  exchange  at  rest,  and  are  exaggerated  during  exercise  

48  

Page 49: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Transport  of  gases  in  the  blood  

Pulmonary  Capillaries   Systemic  Capillaries  

Fig  17-­‐13  

Page 50: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Genera*on  of  breathing  rhythm  

A  typical  person  taking  15  breaths  per  minute  will  inspire  hundreds  of  millions  of  *mes  in  their  life*me    

What  generates  these  breaths?  

Page 51: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Genera*on  of  breathing  rhythm  Side  view  

Fig  17-­‐15  

Front  view  

Page 52: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Genera*on  of  breathing  rhythm  

Pre-­‐Bötzinger    Complex  (PBC)  

The  “central  rhythm  generator”  is  composed  of  a  rhythmically  ac*ve  group  of  neurons  in  the  Pre-­‐Bötzinger  Complex  (PBC)  in  the  ventro-­‐lateral  medulla      

Hypothesis  1:  Individual  neurons  spontaneously  depolarize  to  generate  ac*on  poten*als,  thus  ac*ng  like  pacemakers  

Hypothesis  2:  Complex  interac*ons  between  neurons  in  a  network  generate  the  a  rhythm  

Page 53: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Genera*on  of  breathing  rhythm  

The  rhythmicity  center  in  the  medulla  includes  the  PBC  along  with  inspiratory  and  expiratory  neurons    

Inspiratory  (I)  neurons  in  the  DRG  and  VRG  (shown  in  blue)  fire  during  inspira*on  (in  response  to  the  PBC)  

Rhythm

icity

   Ce

nter     I  neurons  

E  neurons  

Expiratory  (E)  neurons  in  the  VRG  (shown  in  yellow)  fire  during  ac+ve  exhala*on  (e.g.  exercise)  

The  PRG  in  the  pons  contains  I,  E,  and  mixed  neurons  that  “fine-­‐tune”  the  ac*vity  of  the  rhythmicity  center,  facilitate  the  transi*on  between  insp.  and  exp.,  and  control  breathing  depth  to  Respiratory  Muscles  

I,  E,  &  mixed  neurons  

Page 54: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Genera*on  of  breathing  rhythm  

The  inspiratory  muscles  (diaphragm  and  external  intercostals)  are  innervated  by  the  phrenic  and  external  intercostal  nerves,  respec*vely  

Expiratory  muscles  (internal  intercostals)  are  innervated  by  the  internal  intercostal  nerve,  but  are  only  ac*vated  to  contract  during  heavy  breathing      

Fig  17-­‐14  

Page 55: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Neural  control  of  breathing  

to  Respiratory  Groups  in  medulla  and  pons  

Various  sensory  receptors  provide  input  to  the  respiratory  centers  in  the  brainstem  to  regulate  breathing  

Central  and  peripheral  chemoreceptors  sense  chemical  signals  (PCO2,  PO2,  pH,  glucose,  etc.)    

Pulmonary  stretch  receptors  sense  the  degree  of  lung  infla*on    

Etc.  

Page 56: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Central  chemoreceptors  

More  sensi*ve  and  accurate  than  peripheral  chemoreceptors  

Monitors  cerebral  spinal  fluid  (CSF)  pH  and  PCO2  (through  the  lader’s  affect  on  pH  via  carbonic  anhydrase)  

CO2  can  cross  the  blood-­‐brain  barrier  but  H+  cannot,  so  arterial  PCO2  (but  not  arterial  pH)  is  also  sensed  

Increases  in  CSF  PCO2  also  occur  when  neural  metabolism  increases,  which  would  necessitate  higher  rates  of  breathing  and  gas  exchange  

Monitor  PCO2/pH  (not  PO2)  in  medulla  near  the  rhythmicity  center  

Central  chemoreceptors  are  the  most  important  sensor  controlling  ven*la*on,  causing  it  to  increase  in  response  to  increases  in  CO2  

Fig  17-­‐20  

Page 57: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Pons  Medulla  

Caro*d    chemoreceptors  

Aor*c  chemoreceptors  

Peripheral  (“arterial”)  chemoreceptors  (PCO2,  pH,  and  PO2)  

Glosso-­‐pharyngeal  (IX)  (afferent  branches)  

Vagus  (X)  (afferent  branches)  

S*mulate  an  increase  in  ven*la*on  in  response  to  a  rise  in  arterial  PCO2,  suppor*ng  the  central  chemoreceptors  

Increase  ven*la*on  in  response  to  a  decrease  in  arterial  pH  (i.e.,  increased  [H+])  

Mainly  a  fine-­‐tuning,  back-­‐up  and  safety  system  which  becomes  more  important  during  special  circumstances    

Increase  ven*la*on  in  response  to  a  decrease  in  arterial  PO2    

Page 58: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Monitor  arterial  PO2  at  a  setpoint  ~  100  Torr  à  S*mulate  ven*la*on  in  response  to  large  decreases  in  PO2  (small  changes  do  not  cause  a  large  effect)  

Chemoreceptors  

Mediated  en*rely  by  peripheral  chemoreceptors  

Hb  %  satura*on    starts  dropping  

Peripheral  receptors  are  very  important  at  high  al*tudes,  where  the  PO2  of  ambient  air  is  much  lower  

Fig  17-­‐19  

Page 59: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Figure 13.35

Mediated  almost  en*rely  by  peripheral  chemoreceptors  (H+  does  not  easily  cross  blood-­‐brain  barrier)  

pH  change  not  due  to  PCO2  (e.g.  lactate  during  exercise)  

Mediated  largely  by  the  central  chemoreceptors  

Ven*la*on  Effects  of  PCO2  

Chemoreceptors  

Fig  17-­‐19  

Page 60: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Figure  17.21  

Chemoreceptor  Reflexes  

Page 61: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

1. Most  important:  HCO3

-­‐  +  H+                H2CO3  2. Protein  buffer:  Prot-­‐  +  H+                  H.Prot  

Acid-­‐base  regula*on  -­‐  the  control  of  ECF  and  ICF  pH  7.00      ß      ß      7.20      ß      7.40      à      7.60      à      à      7.80  

Normal  pH  range  ECF  (pHa)~7.4,  ICF~7.0  

Depression  of  nervous  system  &  coma  

Over-­‐excitability  of  nervous  system  &  tetany  of  muscles  

Inputs  of  acid   Blood  buffers   Outputs  (compensa*on)  Dietary  and  metabolic  sources.    CO2  acts  as  an  acid  

1. Respiratory  system  rapidly  changes  breathing  to  alter  expira*on  of  CO2    

2. Renal  system  slowly  (hours  to  days)  excretes  or  reabsorbs  H+  or  HCO3

-­‐  à  Reduces  but  does  not  eliminate  pH  changes  

Fig  19-­‐24  

Page 62: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

1.  General  (equilibrium)  equa+on:    HCO3-­‐  +  H+                    H2CO3  

   

 pH  =  pK  +  log  [anion  of  an  acid]  =  pK    +    log    [HCO3-­‐]  

                   [acid]                                                                [H2CO3]  

The  major  principles  of  acid-­‐base  regulaHon  can  be  understood  by  following  the  CO2/HCO3

-­‐  system  

Bicarbonate  Buffer  System  of  the  Blood    The  rela*onship  between  CO2  and  pH  (the  CO2/HCO3

-­‐  buffer  system)  can  be  described  by  the  Henderson-­‐Hasselbalch  Equa*on  

2.  Carbonic  Anhydrase  Reac+on:              H2CO3                H2O  +  CO2      

 Dissolved  [CO2]  =  PCO2  Î  Solubility  Coefficient  (αCO2)  

Henderson-­‐Hasselbalch            pH  =  pK’  +  log  [HCO3-­‐]  =  6.1  +    log            [HCO3

-­‐]              Equa+on  for  Blood:                  [CO2]                                                PCO2  Î  αCO2  

~Constant  

Regulated  by  breathing  (fast)  

CA  

****  

Page 63: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

pH  =  7.4  =  6.1  +  log        [HCO3-­‐]          

                     40  Î  0.03  

Arterial  pH  is  regulated  at  7.4  by  keeping  [HCO3

-­‐]:[CO2]  at  ~20:1  

Bicarbonate  Buffer  System  of  the  Blood    

pH  =  6.1  +    log            [HCO3-­‐]              

                             PCO2  Î  αCO2  

αCO2  =  0.03  mM/Torr  Arterial  PCO2  =  40  Torr  Arterial  pH  =  7.4  

What  is  the  concentra+on  of  bicarbonate  in  arterial  blood?  

7.4  -­‐  6.1  =  log        [HCO3-­‐]        

                           40  Î  0.03  

10(7.4  -­‐  6.1)  =        [HCO3-­‐]          

               40  Î  0.03  [HCO3

-­‐]  =  40  Î  0.03  Î  10(7.4  -­‐  6.1)      =  24  mM    

[CO2]  =  PCO2  Î  αCO2  =  40  Î  0.03      =  1.2  mM    

The  CO2/bicarbonate  buffer  system  dictates  pH  in  the  blood  (and  wherever  there  is  carbonic  anhydrase).  Other  buffer  systems  (e.g.,  proteins,  phosphate,  NH3)  remain  in  equilibrium  (Isohydric  Principle)  

Page 64: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Acid-­‐Base  disturbances  and  compensa*ons  

 CO2  +  H2O                  H2CO3                    H+  +  HCO3-­‐  

_________________  -­‐  If  CO2  excre*on  by  the  respiratory  system  is  less  than  produc*on  (‘_____________’)  à  net  H+  and  HCO3

-­‐  buildup  

Kidney  slowly  compensates  by  accumula*ng  HCO3-­‐  (increased  reabsorp*on)  

and  excre*ng  H+  to  bring  [HCO3-­‐]:[CO2]  back  to  ~20:1  and  thus  restore  pH  

Respiratory  Alkalosis  -­‐  If  CO2  excre*on  by  the  respiratory  system  exceeds  produc*on  (‘hyperven*la*on’)  à  net  H+  and  HCO3

-­‐  loss  

Kidney  slowly  compensates  by  excre*ng  HCO3-­‐  and  

accumula*ng  H+  to  help  restore  pH    

 CO2  +  H2O                H2CO3                      H+  +  HCO3-­‐  

[HCO3-­‐]      <  20                                                                                                          

   [CO2]  

[HCO3-­‐]      >  20                                                                                                          

   [CO2]  

CA  

CA  

Karen
Typewritten Text
respiratory acidosis
Karen
Typewritten Text
hypoventilation
Page 65: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Acid-­‐Base  disturbances  and  compensa*ons  

________________  -­‐  If  an  acid  (H+)  other  than  CO2  is  added  to  the  blood  (e.g.  lac*c  acid)  ,  reac*on  is  driven  to  lex  à  CO2  buildup  

Ven*la*on  increases  quickly  to  compensate,  which  lowers  arterial  PCO2  (and  thus  [CO2])  and  helps  reduce  [H+]  

Metabolic  Alkalosis  -­‐  If  a  base  (OH-­‐,  HCO3-­‐  )  is  added  to  the  blood,  it  

forms  or  adds  HCO3-­‐,  driving  the  reac*on  lex  à  net  H+  loss  

Ven*la*on  decreases  quickly  to  compensate,  which  increases  arterial  PCO2  and  helps  maintain  pH  

 CO2  +  H2O                H2CO3                      H+  +  HCO3-­‐  

CA  [HCO3

-­‐]      <  20                                                                                                              [CO2]  

 CO2  +  H2O                H2CO3                      H+  +  HCO3-­‐  CA  

[HCO3-­‐]      >  20                                                                                                          

   [CO2]  

Karen
Typewritten Text
metabolic acidosis
Page 66: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Fig  19-­‐28  

Acid-­‐Base  disturbances  and  compensa*ons  

Page 67: BIO2A03-Respiration Lecture Notes

Acid-­‐Base  disturbances  and  compensa*ons  

What  is  the  challenge  to  acid-­‐base  balance  at  high  al2tudes,  and  how  is  it  overcome?