Trabajo 43

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Carrera: Medicina 
Área: Trabajo y tiempo libre.
Unidad: 4. Materia: Fisiología
Ventilacion pulmonar
La función celular normal requiere un continuo suministro de O2 y remoción de CO2, requerimientos que son satisfechos por la respiración. En los seres humanos la respiración se puede dividir en cuatro procesos: ventilación pulmonar, difusión alveolocapilar, transporte por la sangre y difusión a nivel del tejido.
Aspectos mecánicos de la ventilación
El pulmón es el órgano central de intercambio de gases entre el organismo y el medio ambiente. Varias características estructurales del pulmón tienen gran relevancia con respecto a su función: 1) el volumen ocupado por las vías aéreas de conducción es relativamente pequeño en comparación con el volumen de aire contenido en la zona donde se lleva a cabo el intercambio gaseoso; 2) la membrana alveolocapilar es extremadamente fina y de gran superficie; 3) el volumen de sangre contenido en los capilares es relativamente pequeño; 4) las resistencias opuestas son muy bajas.
Desde el punto de vista funcional se pueden dividir dos zonas principales: la zona de conducción, que comprende las vías aéreas extratoracicas (nariz, faringe y laringe) e intratoracicas (traquea, bronquios lobulares y lobulillares y bronquiolos); y la zona de intercambio gaseoso que comprende a los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los sacos alveolares (acino pulmonar).
La circulación pulmonar comienza con la arteria pulmonar que se divide hasta formar una red capilar muy densa que se asemeja a una lamina de sangre continua, la cual luego se organiza en las venas pulmonares.
Mecanica de la ventilación
El pulmón y la caja torácica, incluido el diafragma forman una unidad funcional, es decir que se mueven al unisono. La caja torácica esta unida al pulmón por el liquido pleural, menor a 20 ml, que se encuentra entre ambas hojas de la pleura. Tanto el pulmón como la caja torácica son elásticos.
El equilibrio entre las fuerzas opuestas que son generadas por las propiedades elásticas del pulmón y del torax es alcanzado al final de la espiración normal. Para efectuar un cambio a partir de esta posición es necesario aplicar una fuerza, la cual es
generada por los musculos respiratorios. En condiciones normales el único musculo que se utiliza es el diafragma, el cual desciende su centro frénico para aumentar el volumen de la caja torácica, mientras que la espiración es pasiva ya que se produce por la tendencia del pulmón a retraerse sin tener ninguna oposición. Los musculos accesorios de la respiración se utilizan cuando es necesario aumentar el volumen ventilatorio. Los musculos accesorios de la inspiración son los intercostales externos, los escalenos, los pectorales y los esternocleidomastoideos. En la espiración forzada intervienen los musculos de la pared abdominal, los cuales aumentan la presión intraabdominal y favorecen la disminución de volumen toracico.
Los volúmenes pueden ser medidos, variando de acuerdo con la superficie corporal. Los volúmenes pulmonares medidos mas frecuentemente son: el volumen del aire corriente (VAC), el volumen de reserva inspiratorio (VRI) y espiratorio (VRE) y el volumen residual (VR). Otros volúmenes son: el volumen espiratorio forzado al primer segundo (VEF1), el volumen alveolar que llega a intercambiar gases (VA) y el volumen del espacio muerto que no llega a intercambiar gases (VD). Las capacidades pulmonares son la suma de dos o mas volúmenes pulmonares y las mas comunes son: la capacidad vital (CV= VAC+VRI+VRE), la capacidad inspiratoria (CI= VAC+VRI) y espiratoria (CE= VAC+VRE). El TIFF (índice de Tiffneau) es la relación entre la VEF1 y la CV: (VEF1/CV) x
100. La ventilación es el flujo de aire, producto del volumen pulmonar y la frecuencia respiratoria: VA x FR. La relación V/Q es la relación entre la ventilación alveolar y el flujo sanguíneo pulmonar: VA / FSP.
La ventilación pulmonar es el resultado de fuerzas ejercidas por los musculos respiratorios sobre estructuras elásticas y que generan cambios en el volumen y flujo aéreo. Las tendencias elásticas del pulmón y del torax, que hacen que uno tienda a separarse del otro, generan una presión negativa en el espacio que separa ambas laminas pleurales, la cual se denomina presión pleural (PPL) o presión intratoracica. La presión alveolar PALV representa la presión que existe al final de la via aérea, la cual varia en los movimientos respiratorios en relación a la presión del medio ambiente o presión barométrica (PB), disminuyendo en la inspiración y aumentando en la espiración. La diferencia (PALV- PPL) entre el interior y exterior del pulmón, es la presión transpulmonar, es decir la presión que es necesario ejercer para evitar la retracción del pulmón y mantener un volumen.
Inmediatamente antes que comience la inspiración, la PPL es de aproximadamente
-5 cm H2O y no existe diferencia de presión a lo largo de la via aérea. Cuando el diafragma se contrae y comienza la inspiración, la PPL se hace mas negativa y a medida que el volumen aumenta la PALV se hace negativa, lo que origina el flujo inspiratorio. Al final de la inspiración normal en reposo, la PPL alcanza un valor de aproximadamente -8 cm H2 y como el flujo aéreo ha cesado, la PALV es igual a cero. En este momento la PPL es mas negativa, lo que aumenta la tendencia de retracción del pulmón y por consiguiente comienza la espiración al relajarse el diafragma. A medida que el volumen pulmonar disminuye, la PALV aumenta por encima de la PB y se establece el flujo espiratorio.
Propiedades elásticas del pulmón y del torax
La retracción del pulmón es contrarrestada por la presión transpulmonar; cuanto mas aumenta el volumen pulmonar, mayor es la tendencia del pulmón a retraerse y mayor es el valor de presión transpulmonar necesario para oponerse a esta tendencia.
Dos mecanismos diferentes contribuyen a la distensibilidad del pulmón. Por un lado, el parénquima pulmonar pose fibras elásticas, compuestas de elastina y colágeno. Por otro lado el segundo mecanismo que determina la distensibilidad del pulmón es la existencia, a nivel de los alveolos, de una interfase aire liquido, ya que los alveolos están revestidos de una capa muy fina de liquido en contacto con el aire alveolar. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de un liquido son mucho mayores que las presentes en los gases. Por consiguiente, las fuerzas a que están sometidas las moleculas en la superficie del liquido son desiguales: las fuerzas que atraen a estas moléculas hacia el liquido son mayores que las que las atraen al gas. Esta diferencia hace que las moléculas de la superficie de contacto liquido-gas tiendan a retraerse y a adoptar forma esférica, lo que se denomina tensión superficial.
La tensión superficial puede conceptualizarse como la tendencia que hace que una burbuja de liquido tienda a retraerse. A medida que la burbuja disminuye de volumen, la presión en su interior aumenta, lo cual tiende a oponerse al colapso de la burbuja, descrito por la ley de Laplace: P = 2T / r. Esta ley indica que cuanto mayor es la tensión superficial del liquido que compone la burbuja, mayor es la presión que debe oponerse para mantener un volumen determinado. El pulmón puede ser considerado como una colección de alveolos interconectados que hasta cierto punto se comportan como burbujas de liquido. Dos factores hacen instable este sistema: primero el volumen alveolar (radio) varia de un alveolo a otro, por lo que según esta ley los alveolos de menor tamaño necesitan una mayor presión para oponerse a la tension superficial tendiendo al colapso y segundo el volumen de cada alveolo cambia durante la respiración, por lo que la tensión superficial a medida que el volumen alveolar disminuye puede sobrepasar la presión alveolar y producir el colapso de los alveolos de menor tamaño. Esto no ocurre en circunstancias normales porque la tensión superficial varia en relación directa con el tamaño del alveolo: cuanto menor el radio, menor la tensión superficial.
La variación dela tensión superficial en consonancia con el tamaño es el resultado de la presencia de un agente tensioactivo, es decir, que disminuye la tensión superficial de la capa liquida que cubre el alveolo. Su estructura es altamente organizada: un extremo de la molecula esta compuesto por dos cadenas de acidos grasos, las cuales están ancladas a una molecula de glicerol fosfato y una molecula de colina. Con esta configuración se orientan con su extremo hidrofilico en la fase liquida y su extremo hidrofobico sobresaliente hacia la fase gaseosa. Cuando el volumen alveolar aumenta, la superficie se expande y las moléculas se separan, aumentando la tensión superficial y cuando el volumen disminuye, coalescen para formar micelas, disminuyendo la tensión superficial.
Por lo tanto el agente tensioactivo cumple las siguientes funciones: primero disminuye la tensión superficial en la interfase aire-liquido del alveolo, contribuyendo a la retracción elástica del pulmón; segundo mantiene la estabilidad alveolar, ya que al disminuir la tensión superficial a medida que el radio del alveolo disminuye, la presión necesaria para mantener el volumen alveolar disminuye proporcionalmente; y tercero es que mantiene el equilibrio de fluidos a través de la membrana capilar.
Propiedades dinámicas del pulmón
El aire fluye a lo largo de las vías aéreas en virtud de un gradiente de presión que se establece entre el alveolo y la atmosfera. Esta diferencia de presión, depende del flujo aéreo y de la resistencia que oponen las vías aereas (ley general de flujo).
Al igual que en el aparato respiratorio, la resistencia al flujo de aire depende de propiedades inherentes al medio circulante (viscosidad y densidad del aire) y de propiedades del sistema por el cual circula (longitud y radio). La determinante principal de la resistencia es el radio de los vasos, como enuncia la ley de Poiseuille. En contraste con la circulación de la sangre, en circunstancias normales existe un flujo turbulento, en general en las vías aéreas superiores e inferiores de mayor tamaño. La importancia fisiológica de un flujo turbulento radica en que la diferencia de presión necesaria para establecer un flujo determinado es mayor cuando el flujo es turbulento que cuando es laminar, por lo que el trabajo desarrollado por los musculos respiratorios para obtener un valor dado de ventilación es mayor que cuando el flujo es laminar.
La resistencia al flujo aéreo se define como:
R = ∆𝑃
𝑄𝑄
En circunstancias normales la resistencia que las vías aéreas oponen al flujo de aire es muy pequeña. Las vías aereas extratoracicas contribuyen con un 75% a la resistencia total y el otro 15% corresponde a la traquea y los grandes bronquios.
Como se indico, la determinante mas importante de la resistencia al flujo aéreo es el radio de las vías aéreas, lo cual esta regulado por los factores que influyen en el tono del musculo liso de la pared bronquial y aquellos que influyen en la presión transmural.
Las vías aéreas contienen dos capas de musculo liso desde la traquea a los alveolos, una circular que disminuye el radio y una longitudinal que produce el acortamiento de las vías. El tono del musculo es regulado por el sistema neurovegetativo por mediadores peptidergicos. La estimulación del vago, ciertas sustancias (acetilcolina, histamina, tromboxano, leucotrienos) y la disminución de la presión de CO2 producen broncoconstriccion. El aumento de la presión de CO2, el sistema simpático y los agonistas adrenérgicos β producen broncodilatacion.
El principal factor que regula el calibre bronquial es el volumen pulmonar. A medida que el volumen pulmonar aumenta, el diámetro de las vías aéreas aumenta y la resistencia disminuye, lo contrario a la espiración. Este efecto se debe a que las vías aéreas son distensibles y compresibles y a que la presión transpulmonar cambia durante los movimientos respiratorios.
Intercambio gaseoso
El aire inspirado fluye a lo largo de las vías aéreas y finalmente entra en los alveolos pulmonares, donde se lleva a cabo el intercambio de O2 y CO2 entre el aire alveolar y la sangre capilar. El volumen minuto respiratorio en reposo es de aproximadamente 6 l, de los cuales 4 l llegan a la zona de intercambio gaseoso, mientras que el resto del aire permanece en las vías aéreas. Cada minuto, aproximadamente 5-6 l de sangre circulan por los capilares pulmonares, permaneciendo la sangre en el lecho capilar ¾ de segundo, el triple del tiempo necesario para obtener una equilibracion de los gases.
Conceptos físicos elementales
Un gas contenido en un recipiente desarrolla presión contra las paredes de este, la cual es una función directa de la masa2 y de la temperatura del gas e inversamente proporcional al volumen del recipiente. Si el recipiente contiene una mezcla de diferentes gases, cada uno de ellos contribuye a la presión total y esta contribución denominada presión parcial es proporcional a su concentración. La atmosfera se puede considerar un recipiente que contiene una mezcla de gases compuesta de 20,93% de O2, 0,03% de CO2, 78,9% de N2 y el resto son gases raros.
Para calcular las presiones parciales de gases en el organismo se acostumbra a sustraer la presión parcial del vapor de agua (no obedece a las leyes generales de los gases). De esta manera la presión parcial del oxigeno del aire inspirado (PIO2) es:
PIO2 = (PB – PH2O) x FIO2
donde FIO2 es la fracción de O2 contenido en el aire inspirado.
Es evidente que la presión parcial de un gas se puede alterar por medio de cambios en la concentración.
Cuando un gas se pone en contacto con un liquido, las moléculas de gas se mueven continuamente. Con el tiempo el numero de moléculas de gas que entra en la fase liquida es igual al numero que fluye en la dirección opuesta y decimos que el gas esta en equilibrio con el liquido y que las presiones parciales son iguales en ambas fases. Las moléculas de gas que no se combinan químicamente con sustancias contenidas en el liquido se consideran disueltas en el liquido y la concentración de gas disuelto depende de
dos factores: la presión parcial del gas y la solubilidad del gas en el liquido. Algunos gases se pueden combinar químicamente con sustancias contenidas en el liquido y con esto deja de contribuir a la presión parcial del gas.
A nivel del mar la PIO2 es de aproximadamente 150 mm Hg y la PICO2 es igual a cero. La PO2 y la PCO2 de la sangre venosa son de 40 y 46 mm Hg respectivamente. A medida que el aire inspirado entra en los alveolos, el O2 y el CO2 difunden a través de la membrana alveolocapilar siguiendo sus respectivos gradientes. Una vez que el intercambio gaseoso ha ocurrido, la PO2 y la PCO2 son iguales a las del aire alveolar. La PO2 de la sangre arterial es ligeramente menor que la de la sangre capilar, debido a que una pequeña cantidad de sangre venosa no circula por los capilares pulmonares.
En la espiración el aire que no ha cambiado de composición, es decir que permanece en las vías aéreas y no participa del intercambio, es el primero en egresar. Por consiguiente el aire espirado es una mezcla de aire alveolar y de aire del espacio muerto. Cuando el aire inspirado ingresa en los alveolos, el pulmón ya contiene un volumen de gas, correspondiente al volumen residual, lo que tiene como función prevenir grandes cambios en la composición del aire alveolar que se traduciría en una diferencia significativa de presiones que se trasladaría a las arterias.
El pulmón es el órgano exclusivo de secreción de CO2 en forma gaseosa. Por consiguiente, la concentración de CO2 en el aire alveolar es función directa de la producción de CO2 e inversamente proporcional a la ventilación alveolar.
Difusion de gases a través de la membrana alveolocapilar
Difusion es el flujo de moléculas de una sustancia en una dirección determinada.
El mecanismo responsable de la difusión es la existencia de una diferencia en la concentración de la sustancia entre dos puntos del medio a través del cual difunde. El flujo de la sustancia es directamente proporcional al gradientede concentración.
El O2 y el CO2 difunden en sentidos opuestos entre el aire alveolar y la sangre capilar, siguiendo sus gradientes de concentración. Cuando el aire inspirado llega a los alveolos, las moléculas difunden a través del medio gaseoso eliminando el gradiente de concentración del aire alveolar. La fase mas critica de la difusión tiene lugar cuando los gases atraviesan los liquidos, donde la solubilidad del gas en el liquido desempeña un papel importante. La solubilidad del CO2 en los liquidos fisiológicos es 24 veces mayor que la del O2 y cuando se combina con la mayor difusión del O2 en gases da como resultado que el CO2 pose una difusibilidad 20 veces mayor que el O2.
El flujo de difusibilidad de un gas se puede determinar:
Vgas = (PA – Pcap)gas x DLgas
donde Vgas es el flujo del gas, PA y Pcap son las presiones parciales del gas en el alveolo y en el capilar y DLgas es la capacidad pulmonar de difusión (coeficiente de difusión, solubilidad del gas y área y espesor de la membrana alveolocapilar).
En personas en reposo, la PO2 de la sangre venosa es de aproximadamente 40 mm Hg, y se halla separada por la membrana alveolar del aire alveolar, cuya PO2 es de 100 mm Hg, generándose la difusión por la diferencia de presión. A medida que fluye el O2, la PO2 capilar aumenta, originando una disminución del gradiente de concentración y, por consiguiente, del flujo de O2, hasta que hay un cese de flujo, lo que lleva 0,25 segundos.
La difusión de CO2 a través de la membrana capilar obedece a las mismas leyes que la anterior. La mayor difusibilidad del CO2 queda demostrada por su menor gradiente de presión parcial con respecto al del O2. Se estima que la equilibracion de presiones se alcanza también en una fracción similar a la del O2.
Alan Altamirano
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