4 Difusión y transporte de gases

Vista previa del material en texto

FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
Difusió� � transpo�t� d� gase�
El aire que respiramos es una mezcla de gases que ejercen una presión determinada cuyo
valor en el nivel del mar es de 760 mmHg.
De esta columna de gases del aire, que inspiramos el 78%, corresponde a él nitrógeno, el
21% al oxígeno y el 1% el resto de los gases raros (Argón, helio neón, hidrógeno y xenón).
Por lo que la presión parcial del oxígeno es de 160 mmHg. La mezcla de gases atmosféricos
sigue la ley de Dalton, que establece que la presión total es una mezcla de gases,
corresponde a la sumatoria, a las presiones parciales de cada uno.
Características gasométricas del aire atmosférico, el alveolar y la sangre arterial
Aire inspirado:
Presión total del aire seco: 760 mmHg. Po2: 100 mmHg.
Presión de vapor de agua: Mínima.
Aire alveolar:
Presión del aire seco: 713 mmHg Po2: 100 mmHg
Presión vapor de agua: 47 mmHg PCo2: 40 mmHg
Sangre arterial:
Po2: 100 mmHg
PCo2: 40 mmHg
El gas inspirado pasa por la vía aérea hasta llegar a el alveolo. Durante este pasaje, el aire es
calentado hasta la temperatura corporal, humidificado con vapor de agua para que el
epitelio respiratorio no se dañe y filtrado de partículas extrañas. Durante su paso, el aire
inspirado por la vía aérea se humidifica al 100%. Dentro del aparato respiratorio, la presión
de vapor de agua es de 47 mmHg. Dicha presión de agua depende de la temperatura, dado
que el ser humano mantiene una temperatura constante de 37°. Este valor se suele deducir
de la presión total de gases, de modo tal que la presión del aire inspirado (Patm-PvH2O) 760
mmHg – 47 mmHg = 713 mmHg dado que según la ley de Dalton la presión parcial del
oxígeno será de 21% del valor total ósea 21*713/100= 149 y la presión parcial del O2 alveolar
es de 100 mmHg. Las razones para esta diferencia son 2: La remoción de oxígeno por el
capilar pulmonar y la presencia de dióxido de carbono.
La función principal del pulmón es permitir el ingreso de oxígeno desde el aire atmosférico
hasta los vasos sanguíneos y remover el dióxido de carbono de estos, difundiendo en
sentido inverso.
Procesos físicos responsables de la respiración
Difusión. Es el proceso mediante el cual se realizó una transferencia neta de moléculas de
gas desde una zona de mayor presión parcial a una zona de menor presión parcial.
Convección. Es el movimiento de un gas de una alta concentración a una baja
concentración en función del movimiento del medio que se encuentra dicho gas.
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
Difusión pulmonar.
Se denomina de tal forma al paso de gases a través de la membrana alveolocapilar desde
las zonas de mayor concentración de gases a la de menor. Esta membrana recibe el
nombre de unidad funcional respiratoria. El proceso de difusión está favorecido por las
características anatomo – funcionales del tejido pulmonar. El capilar está en íntimo
contacto con la pared alveolar, reduciendo al mínimo el tejido intersticial. Los capilares
forman una red muy amplia que rodea totalmente el alveolo el paso de la sangre por la
pared alveolar dura el tiempo necesario para que la transferencia de gases resulte efectiva.
La membrana pulmonar es lo suficientemente delgada como para que sea fácilmente
atravesada por los gases.
Factores determinantes de la difusión de gases:
● Gradiente de presión parcial.
● Densidad.
● Solubilidad.
● Espesor de la membrana.
● Área tisular.
Gradiente de presión parcial
Los principales gases que difunden son el oxígeno y el dióxido de carbono. Para que un gas
difunda debe de haber un gradiente de presión entre diferentes compartimentos. El
consumo de O2 celular es el responsable de que la presión parcial de oxígeno en la sangre
venosa disminuya. Así, se posibilita la transferencia de moléculas desde el alveolo. De la
misma manera, el dióxido de carbono, que es uno de los productos del metabolismo celular,
es eliminado por el alveolo hacia la atmósfera.
Gradiente de presiones entre los gases existentes a ambos lados de la membrana
La presión parcial está determinada por el número de moléculas que chocan con la
superficie de la membrana a ambos lados de ella. Lo que significa la tendencia de cada gas
de atravesar la membrana. Los gases siempre se trasladaron de la zona de mayor presión a
la de menor presión. La difusión se establece en virtud de los gradientes de presiones, es
decir, de las distintas concentraciones de los gases según los diferentes sitios,
proporcionando su movimiento desde las zonas de mayor concentración a las de menor
concentración.
● Densidad
Es una característica propia de cada gas y tiene que ver con la ley de Graham, la tasa de
difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular.
Esto implica que las moléculas más pequeñas son más difíciles.
● Solubilidad
Dado que tanto el oxígeno como el dióxido se transportan a las células en medio acuoso, la
solubilidad es importante. Que un gas sea altamente soluble implica que al igual presión
parcial habrá mayor cantidad de moléculas de gas en un medio líquido (ley de Henry). Dado
que el CO2 es 24 veces más solubles que el oxígeno, pero su peso molecular es ligeramente
mayor al O2, su tasa de difusión será 20 veces mayor.
● Espesor de la membrana
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
La unidad de difusión del pulmón es la membrana alveolo capilar, formada por el epitelio
alveolar, el espacio alveolocapilar y en el endotelio capilar.
El alveolo está revestido por células epiteliales que apoyan en una membrana basal de una
2µm de espesor por debajo de esta membrana basal hay un espacio tisular que es muy
pequeño. A continuación, se encuentra la membrana alveolo capilar es uno de los 5 µm. Los
capilares alveolares tienen un diámetro de 10 µm lo cual fuerza al eritrocito mantener
contacto estrecho con la membrana alveolo capilar. En condiciones normales, el espesor de
la membrana no ocasiona dificultad para la difusión. Pero algunos procesos patológicos
como la neumonía o el síndrome de estrés respiratorio, la presencia de edema e infiltración
linfocitaria en el espacio tisular engrosa la membrana alveolo capilar, provocando dificultad
para la difusión.
● Área titular
Los capilares forman una red densa alrededor de los alvéolos, esta característica facilita la
exposición del glóbulo rojo a oxígeno alveolar y por otro, a la que la presión hidrostática del
capilar sea baja. En condiciones normales al tener poca presión en el líquido del capilar, no
trasuda al intersticio, lo cual es fundamental para no interferir en el proceso de difusión.
Factores que afectan la difusión a través de la membrana respiratoria
Espesor de la membrana: Puede ser afectado por la presencia del líquido, (edema) en el
espacio alveolar o intersticial. También se afecta por fibrosis pulmonar. La rapidez de
difusión a través de la membrana, será inversamente proporcional al espesor de esta.
Superficie de la membrana: Puede estar disminuida, como ocurre en el enfisema, donde la
ruptura de tabiques alveolares condiciona bulas que se comportan como grandes
cavidades mucho más amplia que los alvéolos, pero con reducción del área membrana.
Transporte
Cuando los gases pasan del alveolo, la sangre se disuelve en el medio líquido y la
concentración resultante es proporcional parcial del gas, de acuerdo con la Ley de Henry.
Para el oxígeno en una PaO2 de 100mmHg la concentración de oxígeno disuelto será de 0.3
ml/100ml de sangre.
El CO2 es unas 20 veces más soluble que el oxígeno, por lo que se disuelven más a la misma
presión. Una vez alcanzado el límite de solubilidad, las presiones parciales del plasma y del
alveolo quedan en equilibrio.
Por lo que los factoresdeterminantes del transporte de oxígeno tisular dependen de:
● Transporte de O2 en la sangre.
● Gasto cardiaco.
Por lo que el transporte de oxígeno a la célula no sólo depende del aparato respiratorio, sino
también del cardiovascular y el hematopoyético, por lo que dicho transporte se lleva a cabo
de 2 maneras.
● Disuelto en la sangre.
● Unido a hemoglobina.
Transporte de oxígeno
El oxígeno en su mayor parte va unido a la hemoglobina (porción hem) En forma de
oxihemoglobina y una parte mínima para disuelto en el plasma sanguíneo. Por ejemplo, 1g
de hb puede combinarse químicamente o asociarse con 1.39 ml de O2, por lo que en 100 ml
de sangre contiene 15g de hb.
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
● Oxígeno disuelto en la sangre
La Ley de Henry establece que la cantidad de oxígeno disuelto es proporcionar la su presión
parcial, por lo que cada mmHg de PO2 en 100 ml, hay disueltos 0.3 ml de O2 y dado por la
que PO2 es de 100 mmHg, por lo que hay 3 ml en un litro de sangre.
La demanda de oxígeno para un adulto en reposo es de 250 ml/min con un gasto cardiaco
de 5 L si la única oferta de oxígeno fuera disuelto en sangre, apenas serían 15 ml/mil. No sé
qué para satisfacer la demanda en reposo del gasto cardíaco debería ser 25 veces más alto.
Por lo que debe de haber otra forma de transporte, además de la ya mencionada.
● Oxígeno unido a hemoglobina
La hemoglobina es una molécula con la estructura cuaternaria formada por una porción
proteica y una porfirina unida al hierro llamado grupo hemo. Cada molécula de hemoglobina
está compuesta por 4 subunidades proteicas (globina), que puede ser de 2 tipos: alfa y beta.
Cada globina envuelve a un grupo hemo, que tiene un átomo de hierro en el centro y es de lo
que se une al oxígeno en forma reversible.
Hemoglobina
Estructura:
Peso molecular: 68,000
Molécula, formada por 2 componentes químicamente distintos:
- Metaloporfirina llamada hem:
- Núcleo prostético.
● Proteína denominada globina. C/u PM: 16,000
● 4 grupos hem por cada mol de hb.
Transporte de O2 en la hb.
● Hb se combina con 4 moléculas de oxígeno
● 2 formas: oxihemoglobina (forma R) y desoxihemoglobina (forma T)
La hemoglobina tiene 2 estados. Cuando el eritrocito llega al capilar pulmonar y no se
encuentra unido al oxígeno, se llama desoxihemoglobina. Una vez que pasa por el capilar
pulmonar, se une al oxígeno en forma de desoxihemoglobina. En el organismo, cada gramo
de hemoglobina es capaz de unirse a 1.36 ml de oxígeno. Cada 100 ml de plasma hay unos
15 g de hemoglobina. Entonces en 1g hay 1.36 ml de O2/100 ml de plasma, 15 gr se
combinan 1.36*15, es decir 20.4 ml de O2/100 ml de plasma.
Transporte de oxígeno y de anhídrido carbónico
Características:
● Participación principalmente de Hemoglobina (hb).
- Cambios físicos y químicos.
● Se transporta en 2 formas.
- Disuelto en plasma: O2 (1.5%); CO2 (7% aprox)
- Unido a hb: O2 (98.5%); CO2 (23%)
- Unidos a iones bicarbonatos: CO2 (70%)
Sistema venoso (Po2: 40 mmHg, Pco2: 45 mmHg)
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
Cuando esta sangre se pone en contacto con el alveolo, como en este, las presiones de
oxígeno son más elevadas (PAO2 = 100mmHg) El O2 pasa desde el espacio alveolar al
capilar intentando igualar las presiones. Simultáneamente ocurre lo contrario con el CO2,
siendo la presión mayor de la sangre venosa, tiende a pasar al alveolo para compensar las
presiones.
Capilar venoso alveolar: (Po2: 100 mmHg, Pco2: 40 mmHg)
Saturación de la hemoglobina por el O2
El porcentaje de saturación es el % o grado de ocupación de grupos Hem unidos a O2.
Sat = Contenido de O2 en la hb * 100 / capacidad O2
Sat. Arterial = 99 – 97% PaO2 = 100 mmHg.
Sat. Venosa = 75% PvO2 = 40 mmHg.
Contenido de O2.
Cont. O2 Hb = Sat O2 * hb * 1.34
= 0.98 * 15 * 1.34
= 19.7 ml O2 / 100ml
Cont. O2 Total =
Cont. O2 hb + Cont. O2 disuelto
(Cont O2 dis = PAO2 * 0.003 = 100 * 0.003)
= 0. + 19.7 = 20 ml O2 / 100 ml sangre
Transporte de CO2
El dióxido de carbono que producen las células se difunde al plasma por diferencia de
presiones. Una vez aquí, será transportada al alveolo pulmonar. En condiciones de reposo
normal se transportan de los tejidos a los pulmones con cada 100 ml de sangre, 4 ml de
CO2. El CO2 se transporta en la sangre de 3 formas: Disuelto en el plasma, en forma de
carbaminohemoglobina, como bicarbonato.
CO2 Disuelto
Obedece a la ley de Henry. Es 20 veces más soluble que el O2 Por lo que disuelto tiene un
papel más significativo en el transporte.
PCO2 venosa = 45 mmhg
PCO2 arterial = 40 mmhg
La Hb desoxigenada tiene mayor afinidad por los H, (la curva se mueve hacia la derecha y
entrega más O2 al igual que PO2). Disminuye la afinidad por la HB, por el O2 aumentar la
capacidad para liberar O2.
CO2 en pulmones
El CO2 espirado y aumentar la afinidad por la Hb, por el O2.
Efecto de haldane
La formación de desoxihemoglobina aumenta la afinidad de la globina por el CO2. Tampona
el CO2 e indirectamente evita una mayor acidificación en la sangre. Favorece:
Toma de CO2 en los capilares y su eliminación en los pulmones.
La velocidad de transporte del CO2 a través de la barrera alveolar capilar es igual a la O2.
El CO2 es más soluble en agua que el O2, pero el gradiente de presiones es menor. La
reacción química con más proteínas de la sangre es más lenta.
El sistema nervioso ajusta el ritmo de ventilación a Leonard, casi exactamente las
necesidades del cuerpo, de manera que la presión sanguínea de oxígeno y la de dióxido de
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
carbono difícilmente se modifica durante el ejercicio intenso o en situaciones de alarma
respiratoria. Estos mecanismos de regulación son el nervioso (centro respiratorio) y el
químico.
Para que el oxígeno llegue en cantidad suficiente a los tejidos, se tiene que dar 3
condiciones indispensables: normal funcionamiento pulmonar. Cantidad normal de
hemoglobina en la sangre. Normal funcionamiento del corazón y circulación vascular.
Centro respiratorio
Compuesto por varios grupos muy dispersos de neuronas localizados de manera bilateral
en el bulbo raquídeo y la protuberancia anular. Se divide en 3 acúmulos principales de
neuronas:
● Grupo respiratorio dorsal: Localizado en la porción dorsal del bulbo, que produce
principalmente la inspiración (función fundamental).
● Grupo respiratorio ventral: Localizado en la porción recto lateral del bulbo, que puede
producir aspiración e inspiración según las neuronas del grupo que estimulan.
● Centro neumotaxico: Realizado en ubicación dorsal en la parte superior de la
protuberancia que ayuda a regular tanto la frecuencia como el patrón de la
respiración.
Reflejo de Herig Breuer
Los pulmones existen receptores que perciben la distensión y la comprensión; algunos se
hallan localizados en la pleura visceral Otros en los bronquios, bronquiolos e incluso en los
alvéolos.
Cuando los pulmones se descienden, los receptores transmiten impulsos hacia los nervios
vagos y desde estos hacia el centro respiratorio donde inhiben la respiración.
Este reflejo se denomina reflejo de Hering – Breuer y también incrementó la frecuencia
respiratoria acusado de la reducción del periodo de inspiración, como ocurre con las
señales del centro neumotáxico.
Regulación química
El objetivo final de la respiración es conservar las concentraciones adecuadas de oxígeno,
CO2 o de iones hidrógeno de los líquidos del organismo. Elecciones o de dióxido de carbono
o de hidroaviones de hidrógeno afecta la respiración principalmente por un efecto
excitatorio directo en el centro respiratorio en sí. Quimiorreceptor central que determina una
mayor intensidad de las señales inspiratorias y espiratoriasa los músculos de la respiración.
Es aumento resultante de la ventilación, aumenta la eliminación de CO2 desde la sangre,
esto elimina también iones hidrógeno porque la disminución de CO2 disminuye también el
ácido carbónico sanguíneo. El O2 no parece tener un efecto directo importante en el centro
respiratorio del cerebro para controlar la respiración. Los quimiorreceptores periféricos se
encuentran localizados en los cuerpos carotídeo y aórtico, que, a su vez, transmiten señales
neuronales apropiadas al centro respiratorio para controlar la respiración.
Causas de depresión del centro respiratorio: Enfermedades cerebrovasculares. Edema
cerebral agudo. Anestesia o narcóticos.
Adicionalmente, la eficiencia del sistema debe ser máxima, evitando la fatiga de los
músculos directorios y procurando el mínimo consumo de o2 por parte de estos. La
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
demanda de oxígeno por parte de los tejidos se incrementa desde los valores de 250 ml en
reposo hasta los 6000 ml/min en el ejercicio intenso. Los cambios cardiorrespiratorios
aseguran este alto porcentaje de o2 al sistema músculo esquelético. El gasto cardíaco se
incrementa hasta 5 veces la capacidad de extracción de o 2 por los tejidos, también se
aumenta debido a los efectos de los cambios locales de ph. PCO2 y la temperatura sobre la
curva de disociación del oxígeno.
Adicionalmente, se produce un aumento de la ventilación pulmonar, la respiración
ventilatoria del ejercicio consta de 3 fases:
Fase 1, aumento abrupto. Los cambios ventilatorios en respuesta al ejercicio comienzan
justo antes o inmediatamente luego del inicio, en lo cual se produce un aumento brusco de
la ventilación. Se ha propuesto que esta fase ocurre por un estímulo o un comando central,
es decir, Aferencias corticales, que envían de forma paralela señales motoras a los
músculos y estimuladora a los centros respiratorios como un mecanismo de
retroalimentación que transmite información mecánica durante el ejercicio. Estudios más
recientes sugieren mecanismos involucrados, como la distensión vascular de los músculos
en ejercicio y los sistemas retroalimentación vestibular.
Fase 2, aumento lineal. Se produce un incremento casi lineal, debe la ventilación y dura de 3
a 4 minutos en esta fase, además del estímulo central y de los propioceptores, se ha
sugerido un estímulo de potasio sanguíneos (que aumentan moderadamente en el ejercicio)
sobre los quimiorreceptores periféricos.
Fase 3, estabilización. Se alcanza sólo en el ejercicio de intensidad moderada y se producen
escasos cambios en la ventilación; es decir, se estabiliza probablemente gracias a la
interacción de los mecanismos reguladores. En el caso de ejercicio intenso no se alcanza
esta fase de equilibrio y la ventilación se incrementa de forma desproporcionada con el
consumo de O2. Llega hasta cierto nivel para posteriormente estimular el mecanismo
anaerobio con una disminución del ph que finalmente lleva a la estimulación de la
ventilación pulmonar.
La ventilación durante el período de recuperación desciende siguiendo una curva bimodal
que corresponde a 2 fases, una rápida y una lenta. Se considera que la caída rápida de la
ventilación ocurre debido al cese de los estímulos centrales y de aquellos provenientes de
los músculos y articulaciones, mientras que la fase lenta representa el periodo de
estabilización y descenso gradual a los otros factores, estimulantes como el potasio.
Ventilación durante el sueño
Durante el sueño se producen una serie de cambios fisiológicos en diversos sistemas del
organismo. El sistema respiratorio no escapa a dichos cambios durante el sueño, el control
de la ventilación puede presentar breves episodios de apnea o hipoapnea en las personas
normales. Se cambia como normal hasta 5 episodios de apnea/ hipoapnea por hora.
El sueño de ondas lentas consta de cuatro estadios a través de los cuales se hace más
profundo. Durante estas fases existen variaciones en el patrón respiratorio, produciendo
periodos irregulares de apnea e hiper apnea durante los primeros estadios, y finalmente
hipoventilación durante el sueño profundo que conlleva una disminución de alrededor del
15% del volumen minuto.
Los periodos de sueño MOR la frecuencia respiratoria se hace irregular y superficial y se
relaciona con el sueño. Produce inhibición de la musculatura periférica, excepto el
diafragma.
Gutiérrez Ayón Laura Ximena
FISIOLOGÍA II Fisiología del sistema respiratorio
Durante el sueño la sensibilidad de los sensores se encuentra alterada, lo cual se refleja en
una menor respuesta ante diversos estímulos químicos o mecánicos con respecto a los de
la vigilia. Los más notables son la disminución de respuesta al CO2 y la hipotonía de los
músculos en las vías aéreas superiores. Esta última determinó un aumento de la
Resistencia al flujo de aire lo cual puede ocasionar ruidos respiratorios (ronquidos).
Efectos de la altitud
La presión atmosférica, el nivel del mar es de 760 mmHg, que equivale a una atmosfera. A
medida que ascendemos a mayor altitud, la presión atmosférica disminuye en forma
exponencial. Mientras, la concentración de oxígeno se mantiene constante a 21%, de modo
que el resultado final es el descenso de la presión parcial del O2, lo que explica problemas de
hipoxia que se produce a grandes alturas. La presión alveolar de oxígeno es menor que la
presión atmosférica de oxígeno debido a que el CO2 y el vapor de agua reducen la
concentración de este a gas alveolar.
Pienso en aparecer síntomas de hipoxia cerca de los 3700 M en personas no aclimatadas,
principalmente adormecimiento, irritabilidad, náuseas y fatiga muscular y mental, esto es
causa por la disminución de O2 a nivel cerebral. Por lo general, la pérdida de la conciencia
sobreviene alturas de más de 6900 m.La adaptación a la hipoxia se produce a través de la
hiperventilación, la policitemia y cambios en curva de disociación de hemoglobina –
oxígeno. La hiperventilación es el mecanismo principal de adaptación, tanto agudo como
crónico. Es mucho más marcado en los individuos aclimatados, por lo cual su tolerancia a
las bajas PAO2 mayor. Cuando se respiran bajas presiones de oxígeno, se produce hipoxia, lo
cual estimula los quimiorreceptores periféricos, produciendo un aumento de la ventilación y
una disminución de la PACO2.
La policitemia se establece observando un incremento de la concentración de los hematíes
del plasma, así como también de la hemoglobina, favoreciendo el transporte del oxígeno a
los tejidos, esto ocurre por un aumento de los de la eritropoyetina por parte del riñón. La
curva de disociación de o 2 hemoglobina se desplaza a la derecha debido a un incremento
del 2 – 3 bifosgliceratro, facilitando la entrada de oxígeno a los tejidos.
Se produce también un incremento en la capacidad de difusión del oxígeno a nivel
pulmonar. Y ello evidencia que el número de capilares en los tejidos periféricos aumenta.
Gutiérrez Ayón Laura Ximena