background image

Respiratory

 

- 1 - 

Respiratory system

 

    The main function of the respiratory system is to take in oxygen and give out 

carbon dioxide. It also regulates acid-base balance and heat and participates in 

phonation and vocalization. 

   The respiratory system is divided into extrathoracic and intrathoracic parts: 

    -The  extrathoracic  part  involves  nose,  nasopharynx  (alternative  paths  are 

mouth and oropharynx), larynx and upper part of trachea                           Fig: 1 

 

    -The intrathoracic part 

involves lower part of trachea, 

carina, two main bronchi 

(primary bronchi) and other 

divisions and sub-divisions of 

bronchial tree (about 34 

generations) which involve lobar 

bronchi (secondary bronchi), lobular or segmental bronchi (tertiary bronchi), 

terminal bronchioles, respiratory bronchioles, alveolar ducts, atria, alveolar 

sacs and alveoli. 

 


background image

Respiratory

 

- 2 - 

Fig: 2  

 

 

    Functionally, the respiratory system is divided into two main zones: 

    -Conductive zone in which no gas exchange occurs, but it transmits the air 

to the next zone. So, conductive zone is regarded as anatomical dead space. 

    -Respiratory zone in which gas exchange occurs. 

    A third transitional zone lies between the conductive and respiratory zones. 

    Conductive  zone  starts  from  the  nose  and  ends  at  the  terminal  bronchioles 

while  the  transitional  and  respiratory  zones  start  from  the  respiratory 

bronchioles and involve alveolar ducts, atria, alveolar sacs and alveoli. 

 

 


background image

Respiratory

 

- 3 - 

 

 

 

 

 

 

Fig: 4a 

The arrow refers to the area of respiratory membrane which will be magnified in the next figure (b).

 

 

The alveolar epithelial wall is composed of three types of cells: Type I 

pneumo-cytes which are squamous epithelial cells, type II pneumocytes which 

secrete surfactant, and the third type are the alveolar macrophages (figure: 4a).  

 

Fig: 3

 


background image

Respiratory

 

- 4 - 

Respiratory membrane

 

    Pulmonary capillaries extensively network around the respiratory zones and 

gas  exchange  occurs  across  the  respiratory  membrane  which  is  a  very  thin 

membrane (about 6 µ in diameter) with surface area of about 140 m

2

 composed 

of six layers from inside to outside.

 

 

1-  Alveolar fluid lining alveoli (with surfactant). 

2-  Single layer of squamous alveolar epithelium. 

3-  Basement membrane of alveolar epithelium. 

4-  Narrow interstitial space. 

5-  Basement membrane of capillary endothelium.  

6-  Single layer of squamous capillary endothelium. 

                                                                                                    Fig: 4b 

 


background image

Respiratory

 

- 5 - 

Functions of upper respiratory system 

    The  extensive  surface  area  of  the  nasal  septum  and  conchae  (turbinates) 

function  in  warming  up  and  humidification  of  air  so  that  it  leaves  the 

nasopharynx  nearly  within  body  temperature  and  about  fully  saturated  with 

water vapor (otherwise, with entrance of cool dry air, serious lung crusting and 

infection will occur). 

 

    The nostrils' hair functions in filtration of large foreign particles (larger than 

6μ in diameter) which can also be removed by turbulent precipitation on the 

mucous coat of nose and nasopharynx. 

    Smaller than 6μ particles are removed by gravitational precipitation within 

bronchioles or taken up by alveolar macrophages if they are not exhaled out.  

    The mucous coat of the conductive zone traps foreign particles and the cilia 

move these particles towards pharynx to be either coughed or swallowed

Muscles of respiration 

    Breathing  is  either  quiet  or  heavy  (labored).  Normal  quiet  breathing 

occurs  due  to  contraction  and  relaxation  of  diaphragm  which  increases  and 

decreases  the  vertical  dimension  of  the  chest  respectively.  So,  quiet 

inspiration is an active process resulting from contraction of diaphragm which 

pulls down with it the elastic lung tissues resulting in negative pressure inside  


background image

Respiratory

 

- 6 - 

 

the  lungs  which  moves  air  from  the  higher  pressure  atmosphere  to  the  lower 

pressure lungs (inhalation) in a syringe-like manner.  

    Quiet expiration is a passive process resulting from relaxation of diaphragm 

and  elastic  recoil  of  lung,  thoracic  and  abdominal  tissues  which  raises  the 

pressure inside the lungs to be higher than the atmospheric pressure and forces 

air out (exhalation). 

    Heavy  breathing  requires  the  activity  of  other  muscles.  In  heavy 

inspiration  the  anteroposterior  dimension  of  the  chest  is  also  increased  by 

contraction of external intercostal muscles in addition to the increase in vertical 

dimension  which  occurs  by  contraction  of  diaphragm.  Contraction  of  other 

muscles can also increase the thoracic anteroposterior dimensions by elevation 

of  thoracic  cage  like  sternocleidomastoids,  scalenes,  serratus  anterior  and 

pectoralis minor.  

     In  heavy  expiration,  contraction  of  internal  intercostal  and  abdominal 

muscles  depresses  the  thoracic  cage  and  decreases  the  anteroposterior 

dimension in addition to the decrease in vertical dimension.                                                                                      

 

 

 


background image

Respiratory

 

- 7 - 

Fig: 5 

 

Pulmonary volumes and capacities

 

    The air in the lungs has been divided into four volumes and four capacities. 

    Pulmonary volumes are: 

1-  Tidal volume 

)

V

T

(

: Which is the volume of air inspired and expired with 

each normal quiet breath. It is about 500 ml. 

2-  Inspiratory reserve volume 

)

IRV

(

: Which is the maximum volume of air 

that can be inspired over and above the V

T

. It is about 3000 ml. 

 


background image

Respiratory

 

- 8 - 

 

3-  Expiratory reserve volume 

)

ERV

(

: Which is the maximum amount of air 

that can be expired after the end of  V

T. 

 It is about 1100 ml. 

4- 

Residual volume 

)

RV

(

: It is the volume of air remaining in the lungs after 

the most forceful expiration. It is about 1200 ml.

   

 

Pulmonary capacities are: 

1- Inspiratory capacity 

)

IC

(

 = V

T

 + IRV                  so, it is about 3500 ml. 

2- Functional residual capacity 

)

FRC

(

 =ERV+RV  so, it is about 2300 ml. 

3- Vital capacity 

)

VC

(

 = V

T

 + IRV + ERV                so, it is about 4600 ml. 

4- Total lung capacity 

)

TLC

(

  = VC + RV                so, it is about 5800ml. 

 

Fig: 6

 


background image

Respiratory

 

- 9 - 

    All  these  volumes  and  capacities  are  in  average  sized  healthy  young 

males but, they are about 20%-25% less in females. They are also lower in 

older,  shorter,  asthenic,  black  complexion,  lowlander  and  smoker  subjects 

than  in  younger,  taller,  athletic,  white  complexion,  highlander  and  non-

smoker subjects respectively.                                                                      

Pulmonary and alveolar ventilation 

   

The  normal  respiratory  rate  is  12-15  breaths  per  minute  (BPM)  which  is 

also called the respiratory frequency.  

V

T

 x  respiratory frequency = pulmonary ventilation (or minute respiratory 

volume)  which  represents  the  total  amount  of  new  air  moved  into  the 

respiratory passages each minute which is about: 

500 ml x 12 BPM = 6000 ml\ min.         to 500 ml x 15 BPM = 7500 ml\min. 

    But, not all of the 500 ml of V

T

 reach the respiratory zone. Instead,   about 

150 ml of air is wasted inside the conductive zone and never contribute to gas 

exchange. This is called the dead space volume (V

D

)

    So,  the  alveolar  ventilation  (V

A

)  represents  the  total  amount  of  air  that 

reaches the respiratory zone each minute: 

V

A

 = respiratory frequency x ( V

T

 _ V

D

 ) 

      = 12 x ( 500 - 150 ) =  4200 ml\min. to 15 x ( 500 - 150 ) =  5250 ml\min 


background image

Respiratory

 

- 10 - 

Anatomical and physiological dead space 

    The conductive zone is regarded as anatomical dead space in which there is 

pulmonary  ventilation  but,  there  is  no  pulmonary  perfusion  (no  gas  exchange 

with pulmonary capillaries). 

     A  similar  condition  occurs  when  there  is  alveolar  ventilation  but,  the 

alveolar  perfusion  is  temporarily  blocked.  This  is  called  physiological  dead 

space. When the block is permanent, it is a pathological dead space. 

    An example of physiological dead space is observed at the apex of the lung 

when the subject assumes upright position when the blood pools into the base 

of the lung, due to gravity, resulting in less blood perfusion of the apex of the 

lung. 

    When  there  is  perfusion,  but  there  is  no  ventilation,  the  oxygenated  blood 

will  be  mixed  with  the  deoxygenated  blood  and  the  condition  is  called  shunt 

which may also be anatomical, physiological or pathological. 

    An example of anatomical shunt is the oxygenated blood returned to the left 

atrium  via  the  pulmonary  veins  which  is  mixed  with  the  deoxygenated  blood 

drained from the lung tissues. An example of physiological shunt is observed at 

the  base  of  lung  when  the  subject  assumes  upright  position  when  perfusion 

becomes more than ventilation. 


background image

Respiratory

 

- 11 - 

    Examples of pathological shunt  are congenital anomalies like patent ductus 

arteriosus  (PDA)  and  patent  foramen  ovale  (PFO).  The  word  "patent"  means 

open.  PDA  is  a  condition  where  the  ductus  arteriosus,  a  blood  vessel  that 

allows blood to bypass the baby's lungs before birth, fails to close after birth. 

Prior to birth, blood flow in the fetus bypasses its lungs because the fetus gets 

oxygen  through  the  placenta.  PFO  is  a  condition  where  foramen  ovale,  a 

normal opening between the left and right atria of the fetal heart, fails to close 

soon after the baby is born. After birth, the ductus arteriosus and foramen ovale 

must, naturally, close because blood must then go to the infant's lungs. 

   

Forces controlling lung volumes

      

1- Pleural pressure (intrapleural pressure):  

    The space between visceral and parietal pleurae is filled with a thin layer of 

pleural fluid which provides lubrication for lung movements  against the chest 

wall. Pleural fluid facilitates sliding and prevents separation of the two pleural 

membranes. The pressure inside the pleural space is called pleural pressure or 

intrapleural pressure which is always negative in relation to the atmospheric 

pressure being about  -5 cmH

2

O at the beginning of inspiration and about  -7.5 

cmH

2

O at its end and the reverse during expiration… (1cmH

2

O = 0.75 mmHg).  

 


background image

Respiratory

 

- 12 - 

 

    The pressure inside alveoli is called alveolar pressure which ranges 

 from -1cmH

2

O to +1 cmH

2

O with inspiration and expiration respectively. This 

very small pressure gradient is sufficient to move the 500 ml tidal volume into 

and out of the lungs. 

    The  difference  between  pleural  and  alveolar  pressures  is  called  the 

transpulmonary pressure.  

  

2- Airways resistance

    Under normal conditions, the greatest resistance to the air flow occurs in the 

larger bronchi near the trachea and not in the smaller airways due to the very 

large  number  of  these  smaller  airways  (about  65000  parallel  terminal 

bronchioles) and the very small amount of air passing through each. 

    But  under  certain  disease  conditions,  the  greatest  resistance  occurs  in  the 

smaller airways because their smaller diameter makes them easily occluded by 

the  secretory products  and they contain greater percentage of smooth  muscles 

in  their  walls  making  them  easily  constricted.  Direct  sympathetic  control  of 

bronchiolar smooth muscles is weak but, the circulating epinephrine  (and to a 

lesser extent nor-epinephrine) hormones cause bronchodilatation.  

 


background image

Respiratory

 

- 13 - 

 

      In  the  contrary,  vagal  (parasympathetic)  stimulation  results  in  secretion  of 

acetyl  choline  which  causes  bronchoconstriction.  Atropine,  which  is  an 

anticholinergic  drug,  blocks  the  action  of  acetyl  choline  and  relieves 

bronchoconstriction. 

    Irritation  of  the  respiratory  epithelium  with  noxious  gases  (as  sulphur 

dioxide), cigarette smoke, fumes, dusts, infection … results in reflex (nervous) 

and local (non nervous) bronchoconstriction. 

    Bronchoconstriction  occurs  due  to  an  allergic  reaction  (between  antibody 

and  antigen)  e.g.,  when  histamine,  slow  reactive  substance  of  anaphylaxis  or 

other  substances  are  released  from  the  mast  cells  in  response  to  exposure  to 

allergens  like  pollen  in  the  air,  or  other  sensitizing  agents.  This  is  a  type  of 

immune reaction. 

  3- Surface tension and surfactant:     

    Surface tension of a fluid is the ability of its molecules on the surface with 

air for extra strong attraction for  one another resulting in the tendency of that 

fluid  surface  to  contract.  The  surface  tension  of  alveolar  fluid  results  in 

alveolar  collapse  (atelectasis)  but  this  is  prevented  by  presence  of  a  surface 

active agent secreted by type II alveolar epithelium which is called surfactant. 

 


background image

Respiratory

 

- 14 - 

 

    When  surfactant  spreads  over  the  surface  of  alveolar  fluid  it  reduces  the 

surface tension from 50 dyne\cm to 5-30 dyne\cm. 

    Surfactant  is  a  complex  mixture  of  several  phospholipids,  other  lipids, 

proteins, CHO, Ca

++

 and some other ions. 

    The  activity  of  surfactant  depends  on  the  concentration  and  orientation  of 

phospholipids molecules on the surface, while the importance of  glycoprotein 

and Ca

++

 is to enhance the spread of phospholipids over the surface. 

    Thyroid and glucocorticoid hormones accelerate the maturation of surfactant 

while cigarette smoking reduces its production. 

    The  pressure  that  causes  alveolar  collapse  is  called  alveolar  collapse 

pressure which is about 4 cmH

2

O in the presence of surfactant. 

 Alveolar collapse pressure = 2T \ r ,             where  T is the surface tension 

                                                                                     r is the radius of alveolus 

     In many premature babies (early born before full maturation), the radius of 

alveolus  is  about  1\4

th

  normal  with  no  secretion  of  surfactant  (until  the  7

th

 

month  of  gestation  or  more)  which  leads  to  increase  of  alveolar  collapse 

pressure  to  40  cmH

2

O  or  more  and  the  baby  dies  from  alveolar  collapse  in  a 

disease  called  (RDS):    respiratory  distress  syndrome  of  newborn  (also 

called hyaline membrane disease).  


background image

Respiratory

 

- 15 - 

  

Lung compliance 

    It  is  the  extent  to  which  the  lung  volume  expands  for  each  unit  increase  in 

transpulmonary pressure. 

Lung compliance=ΔV\ ΔP   where ΔV is the change in lung volume 

                                            and     ΔP  is the change in transpulmonary pressure 

    Normal  total  compliance  of  both  lungs  is  about  200  ml\cmH

2

O,  while 

normal compliance of lungs and thorax together is about 110 ml\cmH

2

O. 

    Lung compliance is decreased in restrictive pulmonary diseases (pulmonary 

fibrosis,  pleurisy,  pleural  effusion….)  while  lung  compliance  is  increased  in 

emphysema which is an obstructive airway disease.  

Elastic and non-elastic work 

    The work of breathing is divided into elastic work and non-elastic work 

-  Elastic work (compliance work): It is the work required to overcome 

the  elastic  forces  of  lungs  and  chest  during  lung  expansion  which 

represents about 65% of the total work of breathing. Two thirds of 

the lung elastic forces are due to surface tension and one third is due 

to the elasticity of lung tissues themselves. 

           Compliance work = ΔV . ΔP \ 2     


background image

Respiratory

 

- 16 - 

 

-  Non-elastic work: which is subdivided into: 

 

Airways resistance work: It is the work required to overcome the 

resistance to the movement of air into and out of the respiratory 

passages  which  represents  about  28%  of  the  total  work  of 

breathing. 

 

Tissue  resistance  work:  It  is  the  work  required  to  overcome  the 

viscosity of lung and chest tissues which represents about 7% of 

the total work of breathing. 

 

    In  restrictive  pulmonary  diseases  (pulmonary  fibrosis,  pleurisy,  pleural 

effusion….)  the  compliance  work  and  tissue  resistance  work  are  especially 

increased while in obstructive airway diseases (emphysema, chronic bronchitis, 

chronic  bronchial  asthma….),  the  airways  resistance  work  is  especially 

increased  and  the  work  of  expiration  becomes  even  more  than  the  work  of 

inspiration. 

    Normally, at rest, only 3-5% of the total body energy expenditure is required 

for  the  ventilatory  process  which  increases  up  to  50  folds  during  exercise 

especially in respiratory diseased subjects.     

 


background image

Respiratory

 

- 17 - 

 

Fig: 7: Pressure-volume curve in normal and obstructive lung diseased subjects  

 

P

alv

  

is alveolar pressure, P

B

 is barometric pressure, Pa is pascal

 

Diffusion of gases

 

    A mixture of gases inside a container exerts a total pressure against its walls 

which  equals  the  sum  of  partial  pressures  of  its  component  gases.  The  partial 

pressure of each gas is proportional to its concentration within the mixture. 

          The partial pressure of oxygen is referred to as P

O

2

,  

          The partial pressure of carbon dioxide is referred to as P

CO

2

 

          The partial pressure of water vapor is referred to as P

H

2

O

          The partial pressure of nitrogen is referred to as P

N

2

………

 and so on. 


background image

Respiratory

 

- 18 - 

 

    The  alveolar  partial  pressure  of  oxygen  is  referred  to  as  P

AO

2

,  while  the 

arterial partial pressure of oxygen is referred to as P

aO

2

and the same thing for 

carbon dioxide. 

    Henry's  law  states  that  the  partial  pressure  of  a  dissolved  gas  is  directly 

proportional to the concentration of its molecules and inversely proportional to 

its solubility coefficient in the solvent. 

    The solubility coefficient  of CO

2

  in water  is 20 times  more than  that of  O

2

 

so,  the  diffusion  of  CO

2

  across  the  biological  membranes  (like  respiratory 

membrane) is 20 times faster than O

2

.    

    The net diffusion of gases occurs along their partial pressure gradient (from 

area  of  higher  to  area  of  lower  partial  pressure)  so,  O

2

  diffuses  from  the 

alveolus (P

AO

2

= 104 mmHg) to the pulmonary capillary (P

O

2

= 40 mmHg), and 

when  the  oxygenated  blood  reaches  the  tissues,  O

2

  diffuses  from  the  tissue 

capillary (P

aO

2

= 95 mmHg) to the interstitial fluid (P

O

2

= 40 mmHg) and then to 

the  tissue  cells  (P

O

2

=  20  mmHg).  The  reverse  happens  to  CO

2

  as  shown  in 

figure 8.  

 

 

 


background image

Respiratory

 

- 19 - 

                                                                                                              Fig: 8       

 

Important note: values in figure: 8 are so vital to be kept in mind    

 

    The  partial  pressures  of  alveolar  gases  are  different  from  those  of  the 

inspired gases due to that: 

-Humidification within the upper respiratory system which dilutes all gases. 

-O

2

 is continuously up taken by pulmonary capillary. 

-CO

2

 is continuously added from pulmonary capillary. 

    The P

O

2

 of pulmonary vein  (95 mmHg) is different from that of  pulmonary 

capillary (104 mmHg) due to the anatomic shunt mentioned before (page: 6). 

Shunt 


background image

Respiratory

 

- 20 - 

P.A.S

Δ

 

Factors affecting diffusion rate

  

    The diffusion rate of O

2

 at rest is about 230ml\min and 4600 ml\min during 

exercise.  The  diffusion  rate  of  gas  molecules  across  biological  membranes  is 

affected  by  several  factors  some  of  them  are  summarized  in  the  following 

equation: 

            

D α

  

 

Where: D is the diffusion rate, ΔP is the partial pressure gradient of gas across 

the membrane, A is the surface area of the membrane, S is the solubility of gas 

in  the  membrane,  d  is  the  distance  of  diffusion  (thickness  of  membrane),            

√MW is the square root of the molecular weight of gas. 

    Another  factor  is  the  temperature  which,  up  to  certain  limits,  is  directly 

proportional to the rate of diffusion, but it is constant in healthy human body. 

    Diffusion rate through the respiratory membrane is greatly reduced in: 

* Pulmonary fibrosis due to the increased thickness of respiratory membrane 

* Emphysema due to the decreased surface area of the respiratory membrane 

*  High  altitude  due  to  the  reduced  pressure  gradient  of  O

2

  (hypoxia  or  low 

atmospheric P

O

2

). 

d.√MW

 


background image

Respiratory

 

- 21 - 

Diffusing capacity

 

    The  diffusing  capacity  is  the  volume  of  gas  that  diffuses  across  the 

respiratory membrane each minute for a pressure difference of 1 mmHg. 

    At rest, the diffusing capacity for oxygen (D

L

O

2

) is about 21 ml\min. mmHg 

and  its  maximum  during  exercise  is  about  65  ml\min.  mmHg  due  to  the 

increased blood flow with ideal distribution to the top and bottom of the lungs 

and  due  to  the  increase  in  surface  area  of  respiratory  membrane  caused  by 

capillary distension. Diffusing capacity for carbon dioxide (D

L

CO

2

) is 20 times 

more than D

L

O

2

    Diffusion of O

2

 and CO

2

 across the respiratory membrane takes about 0.3sec 

while, at rest, blood traverses pulmonary capillary within 0.75 sec so; there is a 

sufficient time available for diffusion if there is any increase in the velocity of 

blood flow during exercise. This is called the safety factor for exercise. 

    When  the  pulmonary  capillary  blood  is  saturated  with  O

2

  and  CO

2

,  it  must 

be replaced by new blood flow  (perfusion) so; the uptake of O

2

 and output of 

CO

2

 is perfusion limited (more perfusion; more O

2

 and less CO

2

). 

    Another  toxic  gas,  carbon  monoxide  (CO),  has  no  blood  saturation  limits 

and any amount of perfusion can take up all the diffused CO molecules, so; it is 

called diffusion limited (more diffusion; more CO).  


background image

Respiratory

 

- 22 - 

 

Ventilation\perfusion ratio 

    Normal alveolar ventilation\perfusion ratio (V

A

\Q) is about 0.85. 

5100 ml\min   divided by   6000 ml\min

 

=

 

0.85

 

    When there is a block in alveolar ventilation; V

A

 = zero, V

A

\Q = zero 

    When there is block in perfusion; Q = zero, V

A

\Q = ∞ 

    In either case there is no gas exchange. 

    In  upright  position,  the  effect  of  gravity  causes  blood  to  shift  from  the  top 

(apex)  to  the  bottom  (base)  of  the  lung,  so,  at  the  top;  perfusion  will  be  less 

than ventilation (physiological dead space) and the V

A

\Q increases to be about 

2.2 while at the bottom, perfusion will be more than ventilation (physiological 

shunt) and V

A

\Q decreases to be about 0.5                                            Fig: 9 

 

            Normal                 Obstructed ventilation          Obstructed perfusion   

 

VA\Q

 

= 0.85

 

PO

2

=104 

PCO

2

=40 

PO

2

=104  PCO

2

=40 

PO

2

=149  PCO

2

=0.3 

 

PO

2

=104  PCO

2

=40 

 

PO

2

=40   PCO

2

=45 

 

PO

2

=104  PCO

2

=40 

 

VA\Q

 

= zero

 

VA\Q 
  = 

 

PO

2

=40 

PCO

2

=45 

PO

2

=149 

PCO

2

=0.3 


background image

Respiratory

 

- 23 - 

 

Transport of gases to the tissues 

    Gas  exchange  in  pulmonary  capillaries  is  called  external  respiration,  while 

gas exchange in tissue capillaries is called internal respiration. 

    Normally,  about  97%  of  O

2

  is  transported  in  chemical  combination  with 

hemoglobin (Hb) in RBC and only 3% is transported in dissolved state in the 

water of plasma and cells while CO

2

 is transported in three forms: 

- In the form of bicarbonate (HCO

3

-

)……………………………………. 70%       

- In combination with Hb and some other plasma proteins………………. 23% 

- In dissolved state………………………………………………………... 7% 

    CO

2

  is  readily  diffused  from  tissue  cells  to  the  interstitial  space  and  then 

through  capillary  membrane  to  be  dissolved  in  plasma,  but  the  major  amount 

diffuses  into  RBC  to  combine  with  water  or  Hb  to  form  carbonic  acid  or 

carbaminohemoglobin respectively. 

    CO

2

 + Hb = CO

2

Hb 

                            In the presence of carbonic anhydrase (CA) enzyme 

    CO

+ H

2

O ============================ H

2

CO

3

 

    Carbonic acid will immediately be dissociated into bicarbonate and H

+

 

    H

2

CO

3

 ↔ HCO

3

-

 + H

+

 


background image

Respiratory

 

- 24 - 

 

    Hydrogen ions will be buffered with Hb (which is a strong acid-base buffer), 

while HCO

3

-

 is antiported (transported in exchange) with Cl

-

 in a process called 

chloride  shift.  This  is  the  cause  why  venous  RBC  has  chloride  odor  and  its 

plasma is alkaline. In pulmonary capillary, the events are reversed. 

                                                                                                                 Fig: 10  

 

 

 


background image

Respiratory

 

- 25 - 

O

2

-Hb Saturation

Partial Pressure of Oxygen (mmHg)

100 %

50 %

0 %

40

100

80

60

20

0

100 %

50 %

0 %

100 %

50 %

0 %

40

100

80

60

20

0

40

100

80

60

20

0

40

100

80

60

20

0

p50 = partial pressure of O

2

at which 50% of Hb is bound
with O

2

If p50 ↓, O

2

-Hb affinity increases

If p50 ↑, O

2

-Hb affinity decreases

Oxygen-hemoglobin dissociation curve

 

    When  P

O

2

  is  high,  this  will  favor  loading  of  Hb  with  O

2

  (increased 

percentage of saturation of Hb with O

2

) and vice versa, when P

O

2

 is low, this 

will favor unloading of Hb from O

2

 (decreased % of saturation of Hb with O

2

). 

    The  relation  between  PO

2

  and  percentage  of  saturation  of  Hb  with  O

2

  is 

drawn as a curve called Oxygen-hemoglobin dissociation curve: …. Fig: 11 

 

 

 

 

 

 

 PO

2

 = 95 mmHg→ 97% saturation  

 PO

= 40 mmHg→ 75% saturation 

 PO

= 28 mmHg→ 50% saturation 

(PO

2

 at which 50% saturation occurs is called p50 which is about 28 mmHg) 

Decreased  p50  means  that  the  curve  is  shifted  to  the  left  and  upward  while 

increased p50 means that the curve is shifted to the right and downward. 

 


background image

Respiratory

 

- 26 - 

Fig: 12                               

---

The following factors cause right 

shift of the curve (increased p50): 

1. Decreased pH,  

2. Increased CO

2

,  

3. Increased temperature, 

4.Increased DPG (Diphospho-

glycerate).  

    This right shifting in tissue 

capillaries favors unloading of O

2

 to 

the tissues 

 

   

     The opposite factors occur in pulmonary capillaries and cause right shift of 

the curve (decreased p50) which favors loading of O

2

 from the lungs. Presence 

of large amounts of Hbf (fetal Hb) in the blood is another factor that causes left 

shift of the curve which favors loading of O

2

 from the maternal circulation to 

the fetal circulation. Fetal Hb has more affinity to combine O

2

 than adult Hb. 

 

 


background image

Respiratory

 

- 27 - 

Bohr's effect and Haldane's effect 

Bohr's  effect  states  that  the  reduced  CO

2

  and  H

+

  concentrations  increase  O

2

 

binding  with  Hb  in  pulmonary  capillaries  and  vice  versa,  the  increased  CO

2

 

and H

+

 concentrations increase O

2

 release from Hb in tissue capillaries.  

Haldane's effect states that the increased binding of O

2

 with Hb will displace 

CO

2

 from the blood in pulmonary capillaries to the alveoli and vice versa, the 

increased release of O

2

 from Hb will increase CO

2

 uptake by the blood in tissue 

capillaries from the tissue cells.

 

Volume percent curve                            

Fig: 13

 

     The volume of O

2

 carried by each 

100 ml  of   blood  is  called  volume 

percent which also increases with P

O

      In normal subjects: each 100 ml 

of blood contains about 15 g of Hb 

and each gram of Hb can bind about 

1.34 x 15 = 20 vol% 

i.e.  100% saturation = 20 volume %  

which means that when Hb is 100% 

saturated; 20 ml of O

2

 can be carried by each 100 ml of blood. 

Partial pressure of oxygen (mmHg)

Perce

nt o

f sa

t

urati

on

 of 

Hb

w
ith 

O

2

Vo

lu

me Perce

nt

Polycythemia

Normal

Anemia

In all 3 conditions the O

2

-haemoglobin saturation is 

100% but the total O

2

content differs


background image

Respiratory

 

- 28 - 

P

CO

2

(mmHg)

CO

vol

%

Venous

Arterial

46

40

45

50

55

 

   In anemic and polycythemic patients the blood contains less or more grams 

of Hb respectively, so; the vol% will be lower or higher than 20% respectively 

at the same 100% saturation of Hb. 

  Normally, at P

O

2

 = 95 mmHg (arterial)→ 19.4 vol%   

                   at P

O

2

 = 40 mmHg (venous)→ 14.4 vol% 

                    19.4 – 14.4 = 5 vol% 

  This  means  that  5  ml  of  O

2

  is  consumed  by  the  tissue  with  each  100  ml  of 

blood  perfusing  that  tissue  at  rest.  But  during  exercise,  the  venous  P

O

2

  falls 

down to 15 mmHg at which the vol% is 4.4 

                     19.4 – 4.4 = 15 vol% 

   This means that during exercise; up to 15 ml of O

2

 is consumed by the tissue 

with each 100 ml of blood perfusing that tissue.

 

Carbon dioxide volume percent curve

                      Fig: 14                                                                                                      

    When P

CO

2

 increases, the vol% 

of  CO

2

  (i.e.  the  volume  of  CO

2

 

transported  by  each  100  ml  of 

blood) also increases. 

 


background image

Respiratory

 

- 29 - 

 

    At P

CO

2

 = 40 mmHg (arterial); vol% = 48 

    At P

CO

2

 = 45 mmHg (venous); vol% = 52 

    52%  -  48%  =  4%  which  means  that  4  ml  of  CO

2

  is  cleared  away  from  the 

tissue with each 100 ml of blood perfusing that tissue at rest.  

Respiratory quotient 

    A person with a pulmonary ventilation of 7.5 L/min will breathe in and out 

10,800 liters of gas each day. From this gas the person will take in about 420 

liters  of  oxygen  (19  moles/day)  and  will  give  out  about  340  liters  of  carbon 

dioxide  (15  moles/day).  The  ratio  of  CO

2

  expired/O

2

  inspired  is  called  the 

respiratory quotient (RQ)  

RQ = CO

2

 out/O

2

 in = 340/420 = 0.81  

In cellular respiration of glucose CO

2

 out = O

2

 in; RQ = 1  

   The overall RQ is less than 1 because our diet is a mixture of carbohydrates 

and fat; the RQ for metabolizing fat is only 0.7 

 

 

 


background image

Respiratory

 

- 30 - 

Control of breathing (regulation of respiration) 

   Control of  breathing  is  either  neural  or  chemical.  Neural  control  is  either 

voluntary or involuntary. Chemical control is either central or peripheral.  

-Voluntary  neural  control  is  direct  control  from  cerebral  cortex  via 

corticospinal  tracts  to  the  spinal  neurons  of  respiratory  muscles.  It  regulates 

certain  voluntary  activities  like  breath  holding,  hyper-  and  hypo-  ventilation 

and forceful respiratory maneuvers. 

-Involuntary neural control  

   1.  The  respiratory  center  in  the  brain  stem  which  is  responsible  for 

autonomic respiration. 

   2. The pulmonary receptors which are responsible for pulmonary reflexes. 

Respiratory center in the brain stem 

    The respiratory neurons are either of type I (discharge during inspiration) or 

type  E  (discharge  during  expiration).  The  respiratory  center  is  composed  of 

several groups of these neurons located bilaterally in the medulla and pons: 

1.  Dorsal respiratory group (DRG) 

2.  Ventral respiratory group (VRG) 

3.  Pneumotaxic center 

4.  Apneustic center   


background image

Respiratory

 

- 31 - 

 

    The  DRG  is  located  in  the  nucleus  of  tractus  solitarius  and  the  reticular 

substance  of  medulla.  This  group  participates  in  the  basic  respiratory  rhythm 

(2 seconds inspiration followed by 3 seconds expiration) and it is responsible 

for quiet inspiration. It contains only type I neurons 

    The  VRG  is  located  anterior  and  lateral  to  the  DRG  in  the  nucleus 

ambiguous  rostrally  and  nucleus  retroambiguus  caudally.  This  group  is 

inactive during quiet breathing and does not participate in the basic respiratory 

rhythm,  but  it  contributes  to  the  respiratory  control  of  heavy  breathing.  It 

receives  signals  from  the  DRG  when  heavy  breathing  is  required  and  it 

contains both types I and E neurons. 

    Pneumotaxic center is located dorsally in the nucleus parabrachialis of pons 

(Kölliker-Fuse  nucleus)  and  operates  in  association  with  apneustic  center  in 

the  lower  pons  to  control  the  depth  of  inspiration.  They  switch  off  the  ramp 

signal of DRG at the end of adequate inspiration to block over inhalation. 

 

 

 

 


background image

Respiratory

 

- 32 - 

Fig: 15 

 

Pulmonary receptors 

Several types of receptors help in reflex control of breathing they are: 

1.  Stretch receptors: Found in the bronchial and bronchiolar smooth muscles 

and  when  the  lungs  are  over  inflated;  the  receptors  are  overstretched  and 

they  transmit  signals  via  the  vagus  nerve  to  the  DRG  to  switch  off 

inspiration. This is called Hering-Breuer reflex 

2.  Irritant receptors: They are responsible for cough and sneeze reflexes and 

bronchoconstriction reflex in bronchial asthma and pulmonary emphysema. 

Irritant  receptors  for  cough  reflex  are  found  along  the  bronchial  tree  and 


background image

Respiratory

 

- 33 - 

especially  larynx  and  carina.  Irritation  of  these  airways  causes  the  irritant 

receptors  to  send  impulses  via  the  vagus  nerve  to  the  medulla  to  initiate 

cough  while  irritant  receptors  for  sneeze  reflex  are  found  in  the  nasal 

airways  and  send  their  impulses  via  trigeminal  nerve  to  the  medulla  to 

initiate sneezing. 

3.  J-receptors:  They  are  sensory  nerve  endings  in  the  alveolar  wall  in 

juxtaposition  to  the  pulmonary  capillaries  which  give  the  person  a  feeling 

of  dyspnea  during  engorgement  of  pulmonary  capillaries  or  during  edema 

like in congestive heart failure. 

-Central chemical control: The chemosensitive areas of respiratory center are 

bilateral aggregations of neurons beneath the ventral surface of medulla which 

are sensitive to changes in H

+

 and P

CO

2

   The direct stimulus for these neurons is H

+

, while CO

2

 must react with H

2

to yield H

2

CO

which will dissociate to HCO3

-

 and H

+

 and the latter H

+

 in turn 

will stimulate the chemosensitive neurons. 

    When  CO

2

  or  H

+

  are  increased  in  the  blood;  the  chemosensitive  area  will 

signal the respiratory center to increase its activity (hyperventilation) to get rid 

of CO

2

  and H

+

  (by the  reaction of  H

+

 with  HCO

3

-

 to  yield H

2

CO

3

  which  will 

dissociate to H

2

O and CO

2

). 


background image

Respiratory

 

- 34 - 

-Peripheral  chemical  control:  Peripheral  chemoreceptors  are  sensitive  to 

changes in P

O

2

 in addition to P

CO

2

 and H

+

. They are: Carotid bodies, aortic 

bodies and others.  

   Carotid  bodies  are  the  largest  in  number  and  they  are  located  at  the 

bifurcations of common carotid arteries. Their afferent signals pass via Hering 

nerves  to  the  IX

th

  cranial  (glossopharyngeal)  nerves  and  then  to  the  DRG.   

Aortic bodies are located along the arch of aorta and their afferent signals pass 

via X

th

 cranial (vagus) nerves to the DRG. Other peripheral receptors are few 

in number and scattered along some large arteries.  

   When  PO

2

  is  declined;  peripheral  chemoreceptors  signal  the  respiratory 

center to increase its activity (hyperventilation). 

Control of breathing during exercise 

    When the motor cerebral cortex orders the exercising muscles to contract; it 

sends  collaterals  to  the  respiratory  center  to  increase  its  activity  in  order  to 

meet the anticipated increased requirements for O

2

 and to get rid of excessive 

CO

2

.  This  activity  may  be  more  or  less  than  the  actual  need  of  the  ongoing 

exercise. Proprioceptive nerve endings in the exercising muscles and joints also 

send  impulses  to  adjust  the  activity  of  respiratory  center  but  the  final  precise 

adjustments occur by chemical control aided by changes in P

O

2

, P

CO

2

 and H

+


background image

Respiratory

 

- 35 - 

 

Hypoxia 

    Low  level  of  P

O

2

  anywhere  is  called  hypoxia.  Hypoxia  in  the  blood  is 

called hypoxemia. There are four types of hypoxia: 

1.  Hypoxic hypoxia: it is the most common type in which there is a decline in 

P

aO

2

2.  Anemic hypoxia: in which P

aO

2

 may be normal, but HbO

2

 is declined due 

to anemia or CO poisoning. 

3.  Stagnant hypoxia: in which P

aO

2

 and HbO

2

 may be normal, but blood flow 

is reduced. 

4.  Histotoxic hypoxia: in which P

aO

2

, HbO

2

, and blood flow may be normal, 

but  the  tissue  can  not  utilize  O

2

  due  to  enzymatic  inhibition  caused  by 

poisons or drugs e.g. cyanide poisoning. 

    Hypoxic  hypoxia  may  be  caused  by  congenital  cardiovascular  disease 

(PDA,  PFO…),  lung  failure,  pulmonary  fibrosis,  pulmonary  emphysema, 

ventilation\perfusion  imbalance,  pump  failure  (due  to  fatigue  of  respiratory 

muscles, pneumothorax or bronchial obstruction) and depression of respiratory 

center due to drugs like heroine, morphine, pithidine… 


background image

Respiratory

 

- 36 - 

 

Patterns of breathing

 

    Normal rhythmic breathing is called eupnea (12-15 BPM). Apnea means no 

breathing while dyspnea is a conscious shortness of breathing (as in asthma). 

Hypopnea is a decrease (and hyperpnea is an increase) in the rate or depth of 

breathing  regardless  whether  the  subject  is  conscious  or  unconscious.  If 

hypopnea  and  hyperpnea  are  not  commensurate  with  the  metabolic 

requirements;  they  are  called  hypoventilation  and  hyperventilation 

respectively. Tachypnea is a rapid shallow breathing. 

    The normal pattern of breathing is the ramp signal which is characterized by 

gradually  increasing  cycles  which  last  for  2  seconds  and  represent  inspiration 

followed by sudden cut off which lasts for 3 seconds and represents expiration. 

                                                                                                           Fig: 16 

 

 

  2 sec.     3 sec.         2 sec.     3 sec.         2 sec.     3 sec.         2 sec.    

 


background image

Respiratory

 

- 37 - 

Abnormal patterns of breathing are: 

1.  Chyne-Stoke  breathing:  usually  seen  in  patients  with  brain  damage  or 

chronic  illness  and  also  in  some  infants  and  in  healthy  persons  during  sleep 

especially at high altitudes. It is characterized by repeated cycles of gradually 

increasing and decreasing tidal volume and respiratory frequency. 

                                                                                                               Fig: 17 

 

 

 

2.  Coupled  or  grouped  breathing:  occurs  in  new  comers  to  high  altitudes 

where  P

CO

2

  is  high  and  characterized  by  double,  triple  or  more  breaths 

followed by apnea for several seconds and relieved by another deep breath.  

3. Periodic breathing: seen in patients with increased intracranial pressure or 

mid brain lesions and characterized by irregular periods apnea alternated with 

periods of normal breathing. 

4.  Apneustic  breathing:  seen  in  patients  with  pontine  lesions  due  to  loss  of 

pneumotaxic  and\or  apneustic  centers  and  characterized  by  sustained  cramp 

like Inspiratory efforts relieved irregularly by sudden gasp of deep expiration.   




رفعت المحاضرة من قبل: Samih Al Hassan
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 82 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل