Class Notes (834,149)
Canada (508,378)
Biology (2,437)


26 Pages
Unlock Document

Graham R.Scott

March 12 , 2014 Biology 2A03: Integrative Physiology of Animals Respiration Respiration ­ Two meanings of the term “respiration” (both are correct) 1. External respiration: Gas exchange. Movement of O  from enviro2ment to cell  (mitochondria) and movement of CO  in oppos2te direction 2. Internal respiration: cellular respiration. Metabolic processes within cells. E.g.  C 6 O12+ 6H O + 2O  ­> 12H2O + 6CO  2 38 ATP 2 External Respiration ­ Dependent on the cardiovascular system ­ Oxygen transport pathway (also called the O  cascade2 ­ The sequential series of steps involved in moving oxygen from the environment to  mitochondria in cells ­ CO  2oves along the same pathway, but in the opposite direction ­ The following series of lectures will focus on the importance of ventilation,  pulmonary diffusion, and blood gas transport for gas exchange and acid­base  homeostasis Anatomy of the Respiratory Tract ­ Conducting zone: no gas exchange between air and blood here ­ Respiratory zone: site of gas exchange (diffusion) Anatomical Features ­ Conducting zone: reinforced with cartilage and smooth muscle • As branching occurs, the diameter of the conducting vessels become  smaller • Smooth muscles contract and can be regulated • Terminal bronchioles are the last of the conducting zone and tend to not  have cartillage ­ Respiratory zone: little cartilage or smooth muscle – allows for gas exchange with  blood • Barrier for gas exchange is very thin • 30 million alveoli – 100 m  Surface Area Important Conducting Zone Functions ­ The epiglottis at the opening of larynx prevents food from entering trachea.  Larynx also contains the vocal cords ­ Cartilage and smooth muscle provides strength, which prevents airways collapse  during inspiration ­ Warms air to 37 C and humidifies it to 100% relative humidity: minimize the loss  of water from the gas exchange surface and many of the upstream organs are  important for maintaining this humidity ­ Cleanses air – epithelium creates mucus and cilia sweeps it upwards (the mucus  escalator); macrophages (immune cells) ingest particles ­ Smooth muscle in bronchioles constrict/relax to vary resistance to air flow • SNS: NE acting on B ­ad2energic receptors – bronchodilation • PSNS: ACH acting on muscarinic receptors – bronchoconstriction The Respiratory Zone ­ Site of O 2and CO  e2change with blood ­ Alveoli are arranged in clusters connected by pores to allow equalization of  pressure in the lungs ­ Type I cells = epithelial layer lining the surface ­ Type II cells = produce surfactant a lipid molecule that is important for reducing  the surface tension in the lungs keeping the alveoli open for gas movement ­ Macrophages = engulf foreign particles and pathogens ­ The respiratory membrane: • Separates the air in the alveoli from blood in the capillaries • Extremely thin • And basement structures are actually fused ­ Most volume in the lungs is made of air  ­ Alveoli accomplish 90% of gas exchange and have most of the surface area:  reduced by lung disease (e.g., emphysema, where respiratory bronchioles increase  in gas exchange) ­ Only 10% of exchange • Respiratory bronchioles • Alveolar ducts ­ The alveolar surface is moist to avoid collapsing, but water creates high surface  tension at air­water interface ­ Alveoli are small (radius ~0.1 mm) ­ Surface tension creates an innate tendency for alveoli to collapse in order to  reduce the overall surface area ­ LePlace’s Law: pressure necessary to prevent collapse = 2T/r • T = surface tension • R = alveolus’s radius • Inversely related to radius Obstructive Sleep Apnea ­ Caused by structures in the upper areas ­ Region separating nasal cavity ­ Snoring: partial obstruction of pharynx ­ Sleep apnea: full obstruction of pharynx; obstructs the airway Asthma ­ Bronchoconstriction • Contraction of smooth muscle in the respiratory bronchioles • Often initiated by immune response to foreign substances ­ Puffers cause relaxation ­ Steroid puffers for chronic use ­ B­agonist stimulate sympathetic receptors to cause vasodilation during asthma  attacks Factors Preventing Alveolar Collapse ­ 1: without surfactant a smaller alveolus will collapse: causes the smaller alveolus  to collapse to a greater extent (water reducing surface area) • Alveolar type II cells secrete surfactant (a protein + phospholipid =  detergent­like substance) which reduces surface tension by up to 90% ­ 2: surfactant is more highly concentrated in smaller alveoli, reducing T = no  collapse • Reduces surface tension to lower levels and equilibrate the surface tension  between alveoli of different sizes ­ Note: respiratory distress synfrom (RDS) in pre­mature babies is due to  inadequate surfactant. Big problem in premature babies as production of  surfactant does not begin to occur before 10­15 weeks of birth • Corticosteroids can be sued to kick start production in pre­mature babies ­ Negative pressure outside the alveoli (­4 mm Hg below atmospheric pressure) in  the intrapleural space also helps to hold the alveoli open. The other function of the  intrapleural space is to serve as flexible, lubricated connection between the lungs  and the thoracic wall ­ Force to prevent collapsing is proportional to surface tension and inversely  proportional to radius ­ Smaller alveoli are susceptible to collapsing under pressure ­ Surfactant reduces tension and we need less pressure to collapse: smaller alveoli  and so equilibrates the force across different alveoli to keep them open March 14 , 2014 Chest Wall and Pleural Sac ­ Tissue that lines lungs and thoracic cavity: between is intrapleural space so it is  the negative pressure maintained that keeps the two compartments together ­ Intrapleural space: fluid (mucus) ­ Parietal pleura: attached to thorax ­ Visceral pleura: attached to lung wall ­ Consider a resting lung (no airflow. After exhalation): • Pressure in alveoli – 760mmHg (same as outside air) • Pressure in intrapleural space – 756mmHg (­4mmHg relative to outside  air) • Pressure is equilibrated ­ The flexible, lubricated connection created by the negative pressure in the  intrapleural space ensures that when the thorax changes size during breathing, the  lungs will follow: as thorax changes size so do the lungs ­ Pneumothorax: a rupture which connects the intrapleural space to the outside  atmosphere so that the intrapleural space is no longer maintained negative ­ This eliminates the negative pressure and breathing becomes ineffective and the  lung may collapse as the intrapleural space is too big ­ Each lung has its own pleural sac, so the opposite lung will not collapse Breathing Cycle – Alveolar Pressure and Volume ­ Flow of gas is driven by differences in pressure ­ Normalized the atmospheric pressure ­ Alveoli are expand, flow goes in because there is a drop in pressure due to the  expansion of the thoracic cavity  ­ As inspiration continues and alveoli (lungs are full) pressure returns to resting  phase ­ Exhalation: alveolar pressure increases relative to atmospheric ­ Expansion of chest wall during inspiration reduces alveolar pressure (P ) alv ­ Numbers shown are the differences from P  (atmosatmric pressure) ­ Boyle’s Law: pressure  ∝  1/Volume ­ Rebound of chest wall during expiration increases alveoli pressure and drives  gases out ­ Air flow = (P  –atm)/R alvt inwards air flow) Breathing Cycle ­ Inhalation: always an active process (rest and exercise) ALWAYS REQUIRES  MUSCLES • External intercostal muscles pull ribs upwards and outwards • Diaphragm shortens and moves down • Orientation of the muscles allows for inspiration and expiration ­ With inhalation: 1. Thoracic volume increases 2. Lung volume increases 3. Negative pressure is created 4. Air flows in from atmosphere ­ Exhalation: passive during quiet breathing (i.e., at rest); abdominal muscles in  internal muscles • Due to elastic recoil of thoracic and lung components • With exhalation 1. Thoracic and lung volumes decrease 2. Positive pressure is created 3. Air flows out to atmosphere ­ Exhalation – active during intense breathing (e.g., exercise) • Internal intercostal muscles contract to pull ribs in and down • Abdominal muscles contract, pushing guts in and displacing diaphragm  upwards • Increases pressure against the thoracic cavity due to abdominal  displacement of the diaphragm Spirometry – Lung Volumes and Capacities ­ Pulmonary function can be assessed by measuring lung volumes and capacities by  spirometry ­ Tidal volume (V T = amount of air breathed in and out on a single breath ~0.5L ­ Inspiratory reserve volume (IRV) = maximum inhaled above a normal inhalation  ~3L ­ Expiratory reserve volume (ERV) = maximum exhaled beyond a normal  exhalation ~1L ­ Residual volume (RV) = volume of air in lungs that cannot be exhaled ~1.2L ­ Inspiratory capacity (IC) = maximum inhaled above a normal exhalation ~3.5L ­ Functional residual capacity (FRC) = volume in lungs after a normal exhalation  ~2.2L ­ Vital capacity (VC) = maximum inhaled after a maximal exhalation ~4.5L ­ Total lung capacity (TLC) = VS + RV, ~ 5.7L ­ Disease that can be assessed using a spirometry • Restrictive lung disease (restrict lung expansion)  Decrease in VC • Obstructive pulmonary disease  Emphysema  Obstruction in the airways that produces a difficulty in generating  flow  Reduction in the diameter of airways  Sower flow rate but capacities the same or even increased  Achieving the same capacity but speed is reduced due to the  resistance to airflow Ventilation ­ Total ventilation (V )Tottotal air flow into (and out of) the respiratory system per  minute (minute ventilation) = total Volume (V ) x bTeathing frequency (f) r • e.g. 6750mL/min = 450 mL x 15/min ­ Alveolar ventilation (V ) A total air flow into (and out of) the alveoli per minute =  [V T– dead space volume (V )] x D R • E.g., 4500 mL/min = [450 mL – 150 mL] X 15/min ­ Anatomical dead space – the volume of air left in the conducting zone after each  breath – leads to the difference between V  andTot A ­ Alveolar ventilation dictates gas exchange th March 17 , 2014 Anatomical Dead Space ­ Always a little air left in the lungs on the next ­ Fresh air mixes with left over dead space air ­ Expiration: removing old air ­ The functional residual capacity includes the volume remaining in both the  conducting zone (i.e., anatomical dead space) and alveoli ­ 300 mL new air is mixing with the 2500 mL functional residual capacity, which  contains old air ­ Dilution = 300mL new/(300 mL new + 2500 mL old) = ~10% ­ Only ~10% replacement of alveolar air per breath at rest ­ Consequence: alveolar O  is 2ower and alveolar CO  is hi2her than in outside air ­ Increases in tidal volume (e.g., during exercise) bring alveolar O  and alveolar  2 CO  2alues closer to those in outside air ­ Which leads to a greater improvement in gas exchange. Increases in tidal volume  or increases in breathing frequency? ­ Alveolar ventilation (V ) A f  R (V  –TV ) =D12breaths/min x (500 mL ­150 mL) =  4200 mL/min ­ Doubling f :RV  A 8,400 mL/min ­ Doubling V  =T10,200 mL/min ­ It is better for gas exchange to increase V  Than to increase f R March 17 , 2014 Diffusion of Gases ­ What dictates the diffusion of gases across the respiratory membrane ­ Diffusion rate = K x A x ΔP/T • T: membrane thickness (inversely proportional) • A: surface area • K: permeability gas constant (different for different  membranes/substances) • P: partial pressure gradient (fast changes) Partial Pressure of Gases ­ Partial pressure: a measure of the thermodynamic activity of gas molecules ­ Dalton’s law: • Total pressure = sum of partial pressures • Total (barometric) air pressure ~760 mmHg = 760 Torr • Total (barometric) air pressure = P  +N2  + O2 CO2 + PH2O • Total (barometric) air pressure = 563 + 150 + 0.2 + 47 (depends on RH) ­ Torr = in honour of Torricelli, inventor of barometer ­ Gases (diffuse, dissolve, react) – according to their partial pressures, not  necessarily according to their concentrations ­ In the air phase, we can calculate partial pressure as: partial pressure = total  pressure x volume (mole) fraction ­ Remember: • Equal moles of gases occupy equal volumes • 1 mole of any gas occupies 22.4 L at S.T.P ­ Dry room air: • P O2 760 Torr x 21% (210 mL O /1000 m2 air) = 160 Torr • P CO2 = 760 Torr x 0.03% (0.3 mL CO /10002mL air) = 0.23 Torr ­ In a fluid phase, the situation is more complicated ­ Diffusion happens slowly over time form the air phase to the fluid phase over  time to reach an equilibrium ­ The partial pressure of a gas that is dissolved in a liquid is equal to the partial  pressure of that gas in the air phase with which the fluid is in equilibrium ­ Henry’s law: concentration of a dissolved gas = partial pressure x solubility  coefficient ­ Solubility of water for oxygen is very small (cannot store) ­ [Oxygen] in water = 150 Torr x (0.034 mL O /1000 2L water Torr) = 5.1 mL  O 21000 mL water ­ [Oxygen] in air = 21% of every litre of air = 210 mL O /10002L air ­ The capacity of water to hold O  is m2ch lower than that of air ­ Carbon dioxide is about 20x more soluble than O  in wate2 ­ [CO 2 in water = 0.3 Torr x 0.67 mL CO /1000 2L water Torr = 0.2 mL  CO /1000mL water 2 ­ [CO 2 in air = 0.03% of every litre of air = 0.3mL CO /1000m2 air ­ The capacity of water to hold CO  is c2mparable to that of air ­ For both O  and CO  (and all gases) they diffuse according to their partial  2 2 pressures, not according to their concentrations ­ Diffusion occurs down the gas’ partial pressure gradient ­ PO2= Alveolar P  –O2lood P O2 ­ PCO2 = Blood P CO2 – Alveolar P CO2  Pulmonary Oedema ­ Fluid accumulation in the interstitial spaces around alveoli themselves ­ Chest radiogram from a person with high altitude pulmonary oedema, showing  fluid accumulation in the lungs ­ How does pulmonary oedema affect gas exchange? • Fluid enters alveoli and oxygen does not diffuse as the fluid has a lower  solubility • Thickens the diffusion barrier for movement of gases • Changes the K value as it must diffuse across the fluid Oxygen Cascade ­ Role is to maintain a minimal partial pressure in our mitochondria ­ The partial pressure of O  drops with each step in the O  transport pathway 2 2 ­ PO 2at the mitochondria must remain high enough to support ATP synthesis ­ There is a minimum P  at O2ich mitochondria can function O 2and CO  P2rtial Pressures 1. Alveolar partial pressures are very different from outside air: CO  is great2r in the  alveolus than the atmospheric air, oxygen is lower) 2. Partial pressures are very similar in alveolar air and the blood leaving the lungs  (slightly less in blood) 3. Partial pressures are the same in blood leaving the lungs and entering the systemic  capillary beds 4. Partial pressures in cells are very different from blood 5. Partial pressures are the same in venous blood leaving the systemic capillaries and  entering the pulmonary capillary beds ­ Hemoglobin does not lose oxygen until it reaches systemic capillary beds ­ PP of oxygen in cells is much lower, P  is higher CO2 ­ Systemic veins have lower P  and O2gher P CO2 ­ CO  2nd O  i2 the cells must be approximately 46 and 40, respectively ­ When blood returns to lungs there is a sufficient partial pressure driving force  between alveolar air and venous air ­ 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:  always enough time for gas exchange to occur Transport of Oxygen in the Blood ­ 1.5% physically dissolved in plasma and RBC cytoplasm ­ 98.5% chemically combined with haemoglobin (Hb) ­ 280 x 10  Hb molecules per RBC ­ 4 O 9molecules bound per Hb molecule ­ ~10  molecules per RBC ­ 5 x 10  RBC’s per mL of blood ­ 5 x 10  O  2olecules per mL of blood (at 100% saturation) 23 ­ 6 x 10  O  2olecules per mole, 22.4 liters per mole ­ 0.2 mL O
More Less

Related notes for BIOLOGY 2A03

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.