Troca de gases no organismo

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Troca de gases no organismo
Principal interesse: O2 e CO2, substrato e produto das vias de oxidação;
Principal processo: envolve difusão simples.
Envolvimento do sistema circulatório (sangüíneo) e respiratório (pulmonar).
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Gases
Gás real  Gás ideal se T
Pressão de um gás: choque de moléculas do gás com o recipiente que o contém.
Lei de Boyle: P  V = Cte  P1V1=P2V2
Modificação na temperatura, pressão e volume são fatores que altera o comportamento de um gás.
Aspectos biológicos envolvem as leis físico-químicas que regem o comportamento dos gases: Leis de Dalton, Henry, boyle, dos gases ideais e o princípio de avogrado.
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Leis
Lei de avogrado
1 mol (gás) = 22,4 L = 6,022 x 1023 moléculas
Gás ideal
Uma dada massa de gás PV=nRT, onde n=nº de moléculas do gás e R = cte molar dos gases.
Dalton: das pressões parciais!!!
Mistura de gases, cada gás se comporta como se estivesse ocupando o volume total, exercendo uma pressão, correspondente a sua pressão parcial.
Para os gases A, B, C etc; então: PTOTAL = PA + PB + PC + ...
Henry
A quantidade de qualquer gás que se dissolve em um volume líquido, é diretamente proporcional à pressão parcial do gás. 
=> [ ]A ∝ PA =>[ ]A =  PA, onde é a constante de proprocionalidade ou coeficiente de solubilidade (quantidade do gás – em mL – dissolvido em um mL do líquido que dissolve o gás a 760 mmHg.
É mais conveniente descrever a P parcial do que a [ ] de um gás
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Distribuição dos gases nos diferentes compartimentos do organismos
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Valores da coeficiente de solubilidade dos gases
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Exemplos
Se a pressão total do ar seco é de 760mmHg e conhecendo-se as concentrações de cada gás em 100 mL de ar seco. Calcule a pressão parcial de cada componente.
Composição: O2 (20,93%), CO2 (0,04%) e N2 (79,03%)
pO2 = (20,93/100)*760 = 159,1 mmHg
pCO2= (0,04/100)*760 = 0,3 mmHg
pN2 = (79,03%)*760 = 600,6 mmHg
Pressão total = 760 mmHg
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exemplo
O ar alveolar contém 6,2% de água e estado de vapor a 37ºC. Calcule a pressão parcial do vapor de água.
pH2O= (6,2/100)*760 = 47 mmHg
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exemplo
Uma certa quantidade de sangue está equilibrada com uma mistura gasosa contendo14,5% de O2, a uma pressão de 752 mmHg, a 37ºC (pressão andina por exemplo). Que percentagem de volume de O2 (V%) está dissolvido no sangue?
Como o gás está em equilíbrio com o vapor de água, temos que calcular a pressão do gás seco. Isto é a pressão total deve ser subtraída da pressão do vapor;
pH2O= (6,2/100)*752 = 46,6 mmHg;
Pressão total do ar seco = 752 -46,6 = 705,4 mmHg
pO2 = 705,4 * (14,5/100) = 102,2 mmHg;
Sabendo que  a 37ºC e a 760 mmHg = 0,023 =>
V = 0,023mL / 760mmHg * 102,2 mmHg = 0,0031 mL 
 V% = 0,0031*100%= 0,31%
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O O2 no plasma
O oxigênio alveolar difunde para o sangue venoso, porque há diferença na pO2 entre um e outro compartimento e o sangue venoso é convertido à arterial, pela troca de CO2 por O2.
Após o processo de difusão, ocorre o transporte de O2 para os tecidos, operação que pode ser efetuada de duas maneiras:
Em solução
Combinado com a Hemoglobina
O oxigênio transportado em solução – cerca de 1,5% do total – é devido a sua solubilidade que é 2,44 mL por 100 mL de plasma a uma pressão de 760 mmHg de O2; portanto, apenas 0,3 mL de O2 estarão dissolvidos em 100 mL de plasma, considerando que o pO2 seja igual a 95 mmHg.
2,44mL(/100mL)760mmHg*95= 0,303(/100mL)
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Trocas gasosas envolvendo sistema respiratório e sangüíneo
Necessário pois temos isolamento contra as variações externas.
Cobertura impermeável aos gases
Superfície especializada para fazer estas trocas: 
Tecido alveolar nos pulmões
Guelras.
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Trocas gasosas envolvendo sistema respiratório e sangüíneo
Vantagem:
Proteção contra o próprio O2: agente oxidante a Pressão atmosférica – PO2 atm= 160mmHg (21,3KPa) , no plasma = 20 mmHg (2,67 kPa)
CO2 usado como tampão fisiológico => pCO2 pulmonar = 40 mmHg, nos tecidos = 46 mmHg e atm = 0,2mmHg
< parte dos gases está dissolvida em solução física e > parte está envolvida em interação com Hb (O2 e CO2)
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Trocas gasosas envolvendo sistema respiratório e sangüíneo: três etapas
1ª etapa
Ventilação: renovação constante do ar alveolar; para manter PO2 e de CO2 nos alvéolos.
Boca/nariz faringe  laringe traquéia  brônquios  bronquíolos terminais  bronquíolos respiratórios  ductos alveolares  átrio alveolar  saco de ar  alvéolos.
Traquéia
Brônquios
Bronquíolos
Alvéolos
Ductos alveolares
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Características físicas do aparelho respiratório
Os alvéolos não mudam de tamanho.
O comprimento e o diâmetro das vias aéreas mudam.
A troca de gases ocorre por difusão entre os alvéolos e as vias aéreas.
O ar alveolar ~ cte, i. é, não são completamente substituídos. 
O seu tamanho tb é cte. O que permite troca gasosa cte nos capilares alveolares. Se colabassem durante a respiração não haveria troca constante.
=> P parcial dos gases nos alvéolos  P parcial dos gases na atmosfera.
=> troca de gases nos alvéolos é constante
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2ª etapa
Perfusão: passagem de um líquido através de um órgão. Mais especificamente a passagem de sangue pelo alvéolo pulmonar.
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3ª etapa
Difusão: (!) do gás de um lado onde a concentração é maior para um lado de menor concentração. 
Fatores que poderiam afetar: solubilidade do gás, distância a percorrer , área da seção transversal, peso molecular do gás, viscosidade do líquido e temperatura do líquido.
Real fator de diferença: solubilidade na fase aquosa.
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Necessidade de um transportador de O2.
O2  solubilidade (em especial no plasma).
A T=38ºC solubilidade 2,3 mL O2/L de sangue
Hb  “solubilidade”
1L sangue – 150g Hb
Cada 1g de Hb liga ou é capaz de ligar 1,34 mL de O2.
=>1L sangue = 201mL O2.
201/2,3 = 87 x mais ...
Se não existisse Hb o sangue teria que circular 87 x mais rápido.
Um adulto em repouso: o sangue leva 60 s para circuito completo. Na aorta fluxo=18,6m/s
Se 87 x18,6=1625m/s
Que bomba faria este fluxo? Seria muito turbulento, com elevada força contra os tecidos , então aumentaria a velocidade de sangramento
A Hb permite controle da afinidade
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Propriedades do transportador: Hb
PO2 alveolar 100 mmHg
PO2 no leito capilar do músculo ativo = 20mmHg (no repouso PO2 é>)
O transportador precisa:
Ficar saturado com O2 nos pulmões
Ficar s/O2 no músculo.
Se fosse equilíbrio simples: O2 + Tr Tr—O2;
Kd=[O2][Tr]/ [Tr—O2]; então cada sítio de ligação com o O2 é independente
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Sem cooperatividade e com cooperatividade
Hipérbole = sem coopertividade
Curva A: À 100mmHg => 90 % saturado, e então a 20 mmHg => 66 % saturado (????). Diferença de 24%
Curva B: à 20 mmHg 20 % saturado, e então a 100 mmHg 56 % saturado (????).
Diferença de 36%
Sigmoidal: com cooperatividade: à 100 mmHg 98% saturado e então, à 20 mmHg 33 mmHg. 
Diferença de 65%
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Dados especiais do transportador
5 x de diferença de pressão nos pulmões e nos tecidos periféricos requerem um transportador com características especiais.
O Km ~ 50% de saturação:
Hipérboles: 10mmHg e 30 mmHg
Sigmoidal: P50%= 27 mmHg
=> Km  =>  afinidade
A hemoglobina é capaz de liberar 65% de O2.
Na região mais inclinada da curva fica na faixa fisiológica = região de maior sensibilidade.
Sensibilidade =  < PO2 leva > liberação de O2.
Sinais fisiológicos também regulam a liberação ou não do O2: 
Se PO2  ( altitudes)
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Equação de Hill: cooperatividade
Hb + O2		HbO2 + O2		Hb(O2)2
+ O2		 Hb(O2)3 + O2		Hb(O2)4
nH = 2,7 (seria correspondente para uma enzima com 2,7 sítios não cooperativos.)
nH p/ hipérbole = 1;
Cooperatividade de Hill: para uma menor PO2 menor afinidade por O2 e para maios PO2 maior afinidade por O2
a
a.b
a.b.c
a.b.c.d
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Efeitos alostéricos sobre a Hb
2,3-DPG (efeito heterotrópico)
Hb purificada liga mais O2 que nos glóbulos.
[DPG]  [Hb];
DPG  P50% =>
afinidade.
Em aves inositol-pentafosfato e ATP para os peixes.
Curva da afinidade do DPG.
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Modelo de Monod para alosteria
Hb (Tensa - Tn) 		Hb(Relaxada - Rx)
 +					 +
DPG					 O2
 				 
Hb.DPG (Tn)		 Hb.O2(Rx)
Sítio para DPG (com carga +) na cadeia , que diminui a afinidade na forma R.
A presença de DPG desloca o equilíbrio:DPG estabiliza a forma T da Hb.
Para que O2 supere e ligue à Hb => [O2] deve ser 
DPG
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Hemoglobina purificada: ausência do efeito do DPG
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A ligação do substrato puxa o empurra o equilíbrio da forma T  R
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DPG
No ar alveolar PO2 alta o bastante, mesmo se [DPG], logo efeito do DPG é melhor para os tecidos extra-pulmonares.
DPG aumenta liberação de O2.
[DPG]  na hipóxia tissular (insuficiência cardíaca e elevadas altitudes), para aumentar a liberação de O2 nos tecidos extra-pulmonares;
DPG aumenta a quantidade liberada de O2. O sangue venoso retorna com menos O2.
Esse mecanismo não compensa se a PO2 for menor que a necessária para a saturação da Hb. A captação de O2 também diminui.
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Efeito DPG
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Diferente Hb: HbA e HbB
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Efeito da 
Temperatura (T)
T=> afinidade (e vice-versa).
Na febre: aumenta a disponibilidade de O2 para suportar as altas taxas metabólicas, assim como no músculo em exercício onde a T também se eleva.
Hiportermia não é importante pois a taxa metabólica também , além de a solubilidade do O2 e do CO2 que faz pH, que compensa a capacidade de liberar O2.
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Efeito de Bohr sobre o pH e afinidade da Hb por O2: HHb + O2  Hb + H+.
 pH  liberação do O2 (e vice-versa).
pH intracelular do eritrócito mais ácido;
O pH do meio intra e extra celular (plasma e eritrócito) estão em equilíbrio e um reflete a mudança do outro.
Se o pH , =>demanda de O2, pois  taxa metabólica,  produção de CO2 ou de ácido lático.
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CO2 transporte e efeito sobre Hb
Três formas de CO2 presente: CO2 (s); HCO3- e Carbamino-Hb (N-terminal da cadeia )
Formas presentes no sangue arterial e venoso.
CO2 entra no sangue e se difunde para dentro do eritrócito (membrana livre para os gases). Dentro, reage pela ação da aceleração da anidrase carbônica (AC);
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Reação do CO2 com a água
A reação espontânea não atende as necessidades do sistema de respiração: de 100 segundos para alcançar o equilíbrio da reação passa para 1.
AC contém Zn.
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H2CO3  H+ + HCO2-
[H+] no plasma = 1,69x10-3 eqgs/L sangue  pH3;
(????) Então precisa de sistema tampão sangüíneo para consumir estes prótons, para manter o pH=7,37
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Carbaminação da Hb
As principais reações ocorrem com os grupos amino da Hb.
Desoxi-Hb forma carbamino melhor do que a Oxi-Hb => preferencialmente a oxigenação da Hb causa liberação do CO2 que estava sob a forma da carbamino-Hb.
Carbamino-Hb só se forma com o grupo amino alifático não carregado, portanto dissociado.
Em pH7,2 (dentro da célula) grupamentos carregados em sua maioria. A parte, pequena, dissociada reage com o CO2 e desloca o equilíbrio;
Como o sítio de ligação do DPG esta na região N-terminal da cadeia , o DPG diminui o efeito da carbaminação e a carbaminação diminui o efeito do DPG
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Equilíbrio do carbamino-Hb
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Apenas 13 a 15 % do CO2 transportado por carbamino-Hb.
HCO3- 		78%
CO2(s)		9%
Hb-CO2		13%
A formação de Hb-CO2 gera H+, em proporção menor e é compensado pelo equilíbrio R—NH2:R—NH3+. Então quanto menor o pK’ (7,5-8,0)do grupo amino-terminal menor será a quantidade liberada de H+ pela carbamido-Hb
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Efeito de tamponamento da Hb
Efeito isoídrico.
Hb é agente tamponante: seus N-terminais e os 38 resíduos de His por tetrâmero (cujos pK’ são proximos do pH intra celular) fazem a captura do próton produzido pelo CO2.
Sangue total 60% do próton gerado é tamponado pelo sangue: 10 % por proteínas plasmáticas e por fosfatos-orgânicos e 50% pela Hb. 
A diferença (40%) é responsável pelo efeito de Bohr
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Efeito de Bohr e CO2: soma das 2 reações;
Dentro de certos limites ocorre então o efeito isoídrico onde não muda o pH pela soma das reações.
O efeito isoídrico não é capaz de manipular todo H+ o que leva a uma diferença de pH arterial e venoso de 0,02 unidades de pH.
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Distribuição de HCO3- entre o plasma e os eritrócitos
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Distribuição de HCO3- entre o plasma e os eritrócitos
O HCO3- é formado no meio intracelular; para sair troca com Cl-
O tamponamento intracelular do H+ proveniente do CO2 faz com que a célula vermelha inche, dando ao hematócrito um valor ligeiramente maior (0,6%): a Hb fica mais positiva e acumula HCO3- e Cl- dentro da célula, levando ao aumento da pressão osmótica => entra água => incha
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Capilar extra pulmonar
Capilar pulmonar
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Inter-relações entre Hb, O2, CO2, H+ e DPG
Na hipóxia a [Hb] deve . A síntese de DPG deve ser aumenta: pH  por menor CO2. 
Como o efeito sobre a síntese é lento, pH  e ocorre  na liberação de O2
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Mudanças na estrutura quaternária na oxigenação da hemoglobina
Deoxy
Oxy
Difusão inversamente proporcional a densidade que é diretamente proporcional a PM. No sistema fisiológico os gases tem ~ o mesmo peso molecular.
Temperatura não varia muito.
Então este fatores não devem influenciar.
A solubilidade é fator determinante, mas a membrana constituida de lipídeos não é limite e sim a solubilidade e portanto difusão no plasma.
A distância percorrida é facilitada pela circulação ativa.
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