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La función del sistema respiratorio es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre el entorno y las células del organismo. Durante la fase inspiratoria del ciclo respiratorio el aire fresco llega al interior de los pulmones, donde el oxígeno y el dióxido de carbono se intercambian entre el...

La función del sistema respiratorio es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre el entorno y las células del organismo. Durante la fase inspiratoria del ciclo respiratorio el aire fresco llega al interior de los pulmones, donde el oxígeno y el dióxido de carbono se intercambian entre el aire inspirado y la sangre capilar pulmonar, y a continuación el aire se espira. Estructura del sistema respiratorio Vías aéreas El sistema respiratorio incluye los pulmones y una serie de vías aéreas que los conectan con el ambiente externo. Las estructuras del sistema respiratorio se subdividen en una zona de conducción (o vías aéreas de conducción), que llevan el aire al interior y hacia el exterior de los pulmones, y una zona respiratoria recubierta con alvéolos, donde se realiza el intercambio de gases. Las funciones de las zonas de conducción y respiratoria son diferentes y las estructuras que las recubren también son distintas (fig. 5-1). Zona de conducción La zona de conducción incluye la nariz, la nasofaringe, la laringe, la tráquea, los bronquios, los bronquiolos y los bronquiolos terminales. Estas estructuras funcionan para llevar el aire al interior y hacia el exterior de la zona respiratoria y que así se produzca el intercambio de gases y para calentar, humidificar y filtrar el aire antes de que alcance la región crítica de intercambio gaseoso. La tráquea es la principal vía aérea de conducción. Se divide en dos bronquios que llegan a los pulmones, en cuyo interior se separan en bronquios más pequeños, que, a su vez, se vuelven a dividir. Hay 23 de estas divisiones, que dan lugar a vías aéreas cada vez más pequeñas. Las vías aéreas de conducción están recubiertas por células secretoras de moco y ciliadas que funcionan eliminando las partículas inhaladas. Aunque las partículas grandes se suelen filtrar hacia el exterior en la nariz, las pequeñas pueden entrar en las vías aéreas, donde son capturadas por el moco, que después es conducido hacia fuera por el batido rítmico de los cilios. Las paredes de las vías aéreas de conducción están formadas por músculo liso. Este músculo tiene una inervación simpática además de parasimpática, que tienen efectos opuestos sobre el diámetro de la vía aérea. (1) Las neuronas adrenérgicas simpáticas activan los receptores 2 situados en el músculo liso bronquial, lo cual da lugar a la relajación y dilatación de las vías aéreas. Además, y lo que es más importante, estos receptores b2 se activan por la adrenalina circulante liberada por la médula suprarrenal y por los agonistas 184 Fisiología b2-adrenérgicos, como el isoproterenol. (2) Las neuronas colinérgicas parasimpáticas activan los receptores muscarínicos, lo cual da lugar a la contracción y la constricción de las vías aéreas. Los cambios en el diámetro de las vías aéreas de conducción dan lugar a cambios en su resistencia, lo cual modifica el flujo aéreo. De esta forma, los efectos del sistema nervioso autónomo sobre el diámetro de la vía aérea tienen efectos predecibles sobre la resistencia de la vía y el flujo aéreo. Los efectos más notables son los de los agonistas b2-adrenérgicos (p. ej., adrenalina, isoproterenol y albuterol), que se emplean para dilatar las vías aéreas en el tratamiento del asma. Zona respiratoria La zona respiratoria incluye las estructuras que están recubiertas por los alvéolos y que, por lo tanto, participan en el intercambio gaseoso: los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los sacos alveolares. Los bronquiolos respiratorios son estructuras de transición. Al igual que las vías aéreas de conducción, poseen cilios y músculo liso, pero también se consideran parte de la región del intercambio de gases, porque los alvéolos, en ocasiones, pierden sus paredes. Los conductos alveolares están completamente recubiertos por alvéolos, pero no contienen cilios y tienen escaso músculo liso. Los conductos alveolares terminan en los sacos alveolares, que también están recubiertos por alvéolos. Los alvéolos son evaginaciones en forma de saco de las paredes de los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los sacos alveolares. Cada pulmón tiene, aproximadamente, 300 millones de alvéolos. El diámetro de cada uno de ellos es de unos 200mm. El intercambio de oxígeno (O2) y de dióxido de carbono (CO2) entre el gas alveolar y la sangre capilar pulmonar puede ocurrir rápidamente y con eficiencia a través de los alvéolos porque las paredes alveolares son delgadas y tienen una gran área de superficie para la difusión. Las paredes alveolares están bordeadas por fibras elásticas y recubiertas por células epiteliales, que se denominan neumocitos de tipo I o II (o células alveolares). Los neumocitos de tipo II sintetizan el surfactante pulmonar (necesario para reducir la tensión superficial de los alvéolos) y son capaces de regenerar a los neumocitos de tipo I y II. Los alvéolos contienen células fagocíticas denominadas macrófagos alveolares que mantienen los alvéolos limpios de polvo y desechos, ya que éstos no disponen de cilios para realizar esta función. Los macrófagos se rellenan con desechos y migran hacia los bronquiolos, donde Figura 5-1 Estructura de las vías aéreas. Se indica el número de las diferentes estructuras correspondiente a los dos pulmones. 5---Fisiología respiratoria 185 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. el batido ciliar los transporta hacia la vía aérea superior y la faringe, donde pueden ser deglutidos o expectorados. Flujo sanguíneo pulmonar El flujo sanguíneo pulmonar es el gasto cardíaco del corazón derecho. Es expulsado desde el ventrículo derecho y alcanza los pulmones a través de la arteria pulmonar (v. cap. 4, fig. 4-1). Las arterias pulmonares se ramifican en arterias cada vez más pequeñas y discurren junto con los bronquios hacia las zonas respiratorias. Las arterias más pequeñas se dividen en arteriolas y después en los capilares pulmonares, que forman densas redes alrededor de los alvéolos. Debido a los efectos gravitacionales, el flujo sanguíneo pulmonar no se distribuye uniformemente en los pulmones. Cuando una persona está de pie, el flujo sanguíneo es más bajo en el vértice (parte superior) de los pulmones y es más alto en la base (parte inferior). En posición de decúbito supino, estos efectos gravitacionales desaparecen. El significado fisiológico de las variaciones regionales en el flujo sanguíneo se trata más adelante en este capítulo. Al igual que en otros órganos, la regulación del flujo sanguíneo pulmonar se consigue alterando la resistencia de las arteriolas pulmonares. Los cambios en la resistencia arteriolar pulmonar están controlados por factores locales, principalmente el O2. La circulación bronquial es el aporte sanguíneo a las vías aéreas de conducción (que no participan en el intercambio de gases) y es una fracción muy pequeña del flujo sanguíneo pulmonar total. Volúmenes y capacidades pulmonares Volúmenes pulmonares Los volúmenes estáticos del pulmón se determinan mediante un espirómetro (tabla 5-1). Por lo general, la persona que se somete a la prueba está sentada y respira en el interior de un espirómetro, desplazando una campana. El volumen desplazado se registra en un papel calibrado (fig. 5-2). En primer lugar, se pide al paciente que respire tranquilamente. La respiración tranquila y normal supone la inspiración y espiración de un volumen corriente (Vc). El volumen corriente normal es de unos 500ml e incluye el volumen de aire que rellena los alvéolos más el volumen de aire que rellena las vías aéreas. Después, se le pide que realice una inspiración máxima, seguida de una espiración máxima. Con esta maniobra, se ponen de manifiesto volúmenes pulmonares adicionales. El volumen adicional que se puede inspirar por encima del volumen corriente se denomina volumen de reserva inspiratorio, que es de unos 3.000ml. El volumen adicional que se puede espirar por debajo del volumen corriente se denomina volumen de reserva espiratorio, que es de unos 1.200ml. El volumen de gas que queda en los pulmones después de una espiración forzada máxima es el volumen residual (VR), que es de, aproximadamente, 1.200ml y no se puede medir mediante espirometría. Capacidades pulmonares Además de estos volúmenes pulmonares, existen varias capacidades pulmonares; cada capacidad pulmonar incluye dos o más volúmenes pulmonares. La capacidad inspiratoria (CI) está compuesta por el volumen corriente más el volumen de reserva inspiratorio y es de unos 3.500ml (500ml+3.000ml). La capacidad residual funcional (CRF) es resultado del volumen de reserva espiratorio (VRE) más el volumen residual y suele ser de 2.400ml (1.200ml+1.200ml). La CRF es el volumen que queda en los pulmones después de la espiración de un volumen corriente normal y se puede considerar como el volumen de equilibrio de los pulmones. La capacidad vital (CV) está compuesta por la capacidad inspiratoria más el volumen de reserva espiratorio y es de unos 4.700ml (3.500ml+1.200ml). La capacidad vital es el volumen que se puede espirar después de una inspiración máxima. Su valor aumenta con el tamaño del cuerpo, el sexo masculino y la preparación física, y disminuye con la edad. Finalmente, tal como sugiere la terminología, la capacidad pulmonar total (CPT) incluye todos los volúmenes pulmonares: es la capacidad vital más el volumen residual y suele ser de 5.900ml (4.700ml+1.200ml). El volumen residual no se puede medir mediante espirometría, por lo que las capacidades pulmonares que incluyen el volumen residual tampoco pueden ser determinadas mediante espirometría (es decir, CRF y CPT). Entre las capacidades pulmonares que no son medibles mediante espirometría, la CRF (el volumen restante en los pulmones después de una espiración normal) es la que tiene mayor interés, ya que es el volumen en reposo o de equilibrio en los pulmones. Se utilizan dos métodos para determinar la CRF: la dilución con helio y la pletismografía corporal. ♦ En el método de dilución de helio, el individuo respira una cantidad conocida de helio que se ha añadido al espirómetro. Puesto que el helio es insoluble en la sangre, después de algunas respiraciones, la concentración de helio en los pulmones es igual a la que existe en el espirómetro, que se puede determinar. La cantidad de helio que se ha acumulado en el espirómetro y su concentración en los pulmones se utilizan para «calcular de forma retrospectiva» el volumen pulmonar. Si esta determinación se realiza después de la espiración de un volumen corriente normal, el volumen pulmonar que se calcula es la CRF. ♦ La pletismografía corporal emplea una variante de la ley de Boyle, que afirma que para los gases a una temperatura constante, la presión del gas multiplicada por su volumen es constante (P×V=constante). Por Tabla 5-1 Abreviaturas y valores normales asociados con la fisiología respiratoria Abreviatura Significado Valor normal P Presión del gas o presión parcial Q˙ Flujo sanguíneo V Volumen del gas V˙ Tasa de flujo del gas F Fracción de concentración del gas A Gas alveolar a Sangre arterial v Sangre venosa E Gas espirado I Gas inspirado L Transpulmonar TM Transmural Sangre arterial PaO2 Presión parcial de O2 en sangre arterial 100mmHg PaCO2 Presión parcial de CO2 en sangre arterial 40mmHg Sangre venosa mezclada Pv-- o2 Presión parcial de O2 en sangre venosa 40mmHg Pv-- co2 Presión parcial de CO2 en sangre venosa 46mmHg Aire inspirado Pio2 Presión parcial de O2 en aire seco inspirado 160mmHg Pico2 Presión parcial de CO2 en aire seco inspirado 0mmHg Aire alveolar Pao2 Presión parcial de O2 en aire alveolar 100mmHg Paco2 Presión parcial de CO2 en aire alveolar 40mmHg Volúmenes y tasas respiratorias CPT Capacidad pulmonar total 6,0 l CRF Capacidad residual funcional 2,4 l CV Capacidad vital 4,7 l Vc Volumen corriente 0,5 l V˙a Ventilación alveolar --- --- Frecuencia respiratoria 15 respiraciones/min Vm Espacio muerto fisiológico 0,15 l CVF Capacidad vital forzada 4,7 l VEMS1 Volumen espiratorio máximo en 1 s --- Constantes Patm, o Pb Presión atmosférica (o barométrica) 760mmHg (a nivel del mar) Ph2o Presión de vapor de agua 47mmHg (37°C) TEPS Temperatura estándar y presión en seco 273K, 760mmHg TCPS Temperatura corporal, presión, saturado 310K, 760mmHg, 47mmHg --- Solubilidad de O2 en sangre 0,003ml O2/100ml sangre/mmHg --- Solubilidad de CO2 en sangre 0,07ml CO2/100ml sangre/mmHg Otros valores --- Concentración de hemoglobina 15g/100ml sangre --- Capacidad de unión con O2 de la hemoglobina 1,34ml O2/g hemoglobina V˙o2 Consumo de O2 250ml/min V˙co2 Producción de CO2 200ml/min R Cociente de intercambio respiratorio (producción de CO2/consumo de O2) 0,8 5---Fisiología respiratoria 187 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. tanto, si el volumen aumenta, la presión debe disminuir, y si el volumen disminuye, la presión debe aumentar. Para determinar la CRF, el paciente se sienta en una cabina grande aislada denominada pletismógrafo. Después de espirar un volumen corriente normal, la pieza bucal conectada a la vía aérea del paciente se cierra y entonces éste intenta respirar. Cuando intenta inspirar, el volumen de sus pulmones aumenta y la presión disminuye. Simultáneamente, el volumen en la cabina disminuye y la presión aumenta. El incremento de la presión en la cabina se puede medir y, a partir de él, se puede calcular el volumen preinspiratorio de los pulmones, que es la CRF. Espacio muerto El espacio muerto es el volumen de las vías aéreas y los pulmones que no participa en el intercambio de gases. Es un término general que se refiere tanto al espacio muerto anatómico real como al espacio muerto funcional o fisiológico. Espacio muerto anatómico El espacio muerto anatómico es el volumen de las vías aéreas de conducción, incluidos la nariz (y/o la boca), la tráquea, los bronquios y los bronquiolos, y excluidos los bronquiolos respiratorios y los alvéolos. El volumen de las vías aéreas de conducción es de unos 150ml. De esta forma, por ejemplo, cuando se inspira un volumen corriente de 500ml, todo el volumen no alcanza a los alvéolos para el intercambio de gases. Un volumen de 150ml llena las vías aéreas de conducción (el espacio muerto anatómico, donde no hay intercambio de gases) y 350ml llenan los alvéolos. La figura 5-3 muestra que al final de la espiración las vías aéreas de conducción están llenas con aire alveolar; es decir, están llenas con aire que ya ha estado en los alvéolos y ha intercambiado los gases con la sangre capilar pulmonar. Con la inspiración del siguiente volumen corriente, este aire alveolar es el primero en entrar en los alvéolos aunque no es sometido de nuevo a intercambio de gases. El aire que entra a continuación en los alvéolos es aire fresco procedente del volumen corriente inspirado (350ml), que experimentará intercambio de gases. El resto del volumen corriente (150ml) no alcanza los alvéolos, pero permanece en las vías aéreas de conducción; este aire no participará en el intercambio de gases y será el primer aire espirado. (Se plantea una cuestión a partir de esto: el primer aire espirado es aire del espacio muerto que no ha experimentado intercambio de gases; para obtener una muestra de aire alveolar, debe obtenerse una muestra de aire al final de la espiración.) Espacio muerto fisiológico El concepto de espacio muerto fisiológico es más abstracto que el concepto de espacio muerto anatómico. Por definición, el espacio muerto fisiológico es el volumen total de los pulmones que no participa en el intercambio de gases. El espacio muerto fisiológico incluye el espacio muerto anatómico de las vías aéreas de conducción más un espacio muerto funcional de los alvéolos. El espacio muerto funcional se puede considerar como los alvéolos ventilados que no participan en el intercambio de gases. El motivo más importante por el que los alvéolos no participan en el intercambio gaseoso es un desequilibrio entre la ventilación y la perfusión, o lo que se denomina defecto ventilación/perfusión, en el que los alvéolos ventilados no están perfundidos por sangre capilar pulmonar. Figura 5-2 Volúmenes y capacidades pulmonares. Las determinaciones de los volúmenes y las capacidades pulmonares se realizan mediante espirometría. El volumen residual no se puede determinar mediante espirometría. 188 Fisiología En las personas sanas, el espacio muerto fisiológico es prácticamente igual al espacio muerto anatómico. En otras palabras, la ventilación y la perfusión (flujo sanguíneo) alveolares normalmente son equiparables y el espacio muerto fisiológico es pequeño. Sin embargo, en determinadas situaciones patológicas, el espacio muerto fisiológico puede ser mayor que el espacio muerto anatómico, lo que sugiere un defecto en la ventilación/ perfusión. La relación entre el espacio muerto fisiológico y el volumen corriente proporciona una estimación del «desaprovechamiento» de la ventilación (ya sea en las vías aéreas de conducción o en los alvéolos no perfundidos). El volumen del espacio muerto fisiológico se estima con el siguiente método, que se basa en la determinación de la presión parcial de CO2 (Pco2) del aire mixto espirado (PeCO2 ) y en las siguientes tres consideraciones: (1) todo el CO2 en el aire espirado procede del intercambio de CO2 en los alvéolos funcionantes (ventilados y perfundidos); (2) esencialmente no existe CO2 en el aire inspirado, y (3) el espacio muerto fisiológico (alvéolos y vías aéreas no funcionantes) ni experimenta intercambio ni contribuye al CO2. Si el espacio muerto fisiológico es 0, entonces la PeCO2 será igual a la Pco2 alveolar (PaCO2 ). Sin embargo, si existe un espacio muerto fisiológico, entonces la PeCO2 estará «diluida» por el aire del espacio muerto y la PeCO2 será inferior a la PaCO2 por un factor de dilución. Por tanto, al comparar la PeCO2 con la PaCO2 , se puede determinar el factor de dilución (es decir, el volumen del espacio muerto fisiológico). Un posible problema en la determinación del espacio muerto fisiológico es que no se pueden obtener muestras directas del aire alveolar. Sin embargo, esto se puede resolver porque el aire alveolar normalmente se equilibra con el flujo capilar pulmonar (que se convierte en sangre arterial sistémica). Por tanto, la Pco2 de la sangre arterial sistémica (PaCO2 ) es igual a la Pco2 del aire alveolar (PaCO2 ). Según esta afirmación, el volumen del espacio muerto fisiológico se calcula con la siguiente ecuación: Vd=Vc×Paco2 −Peco2 \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ Paco2 donde Vd=Espacio muerto fisiológico (ml) Vc=Volumen corriente (ml) Paco2=Pco2 de sangre arterial (mmHg) Peco2=Pco2 de aire mezclado espirado (mmHg) En otras palabras, según la ecuación, el volumen del espacio muerto fisiológico es el volumen corriente (volumen espirado con una sola respiración) multiplicado por una fracción. La fracción representa la dilución de la Pco2 alveolar por el aire del espacio muerto (que no contribuye con CO2). Para entender mejor la ecuación y su aplicación hay que tener en cuenta dos ejemplos extremos. En el primer ejemplo, se asume que el espacio muerto fisiológico es 0; en el segundo ejemplo, se asume que el espacio muerto fisiológico es igual a todo el volumen corriente. En el primer ejemplo, la Pco2 del aire espirado (PeCO2) será la misma que la Pco2 de la sangre arterial (PaCO2), ya que no existe ventilación «desaprovechada»: la fracción en la ecuación es igual a 0 y por tanto, el valor calculado de Vd es 0. En el segundo ejemplo, en que el espacio muerto es igual a todo el volumen corriente, no existe intercambio de gases: por tanto, la PeCO2 será 0, la fracción será 1,0 y Vd será igual a Vc. Figura 5-3 Espacio muerto anatómico. Un tercera parte de cada volumen corriente ocupa el espacio muerto anatómico. Vc, volumen corriente. 5---Fisiología respiratoria 189 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Frecuencias respiratorias La frecuencia respiratoria es el volumen de aire que entra y sale de los pulmones por unidad de tiempo. La frecuencia respiratoria se puede expresar como la ventilación minuto (que es la tasa total de movimiento de aire hacia el interior y exterior de los pulmones) o como ventilación alveolar (que se corrige por el espacio muerto fisiológico). Para calcular la ventilación alveolar, primero hay que medir el espacio muerto fisiológico, lo cual supone tomar una muestra de sangre arterial sistémica, como se ha descrito en la sección anterior. La ventilación minuto viene dada por la siguiente ecuación: Ventilación minuto=Vc×Respiraciones/min La ventilación alveolar es la ventilación minuto corregida por el espacio muerto fisiológico y se obtiene mediante la siguiente ecuación: V˙a=(V˙c−Vd)×Respiraciones/min donde V˙a=Ventilación alveolar (ml/min) V˙c=Volumen corriente (ml) Vd=Espacio muerto fisiológico (ml) Ecuación de ventilación alveolar La ecuación de ventilación alveolar es la relación fundamental de la fisiología respiratoria y describe la relación inversa entre la ventilación alveolar y la Pco2 alveolar (PaCO2). La ecuación de ventilación alveolar se expresa como sigue: V˙a=\_\_\_\_\_\_\_\_ V˙co2×K Paco2 o, reordenando, Paco2 =\_\_\_\_\_\_\_\_ V˙co2×K V˙a donde V˙a=Ventilación alveolar (ml/min) V˙co2=Tasa de producción de CO2 (ml/min) Paco2 =Pco2 alveolar (mmHg) K=Constante (863mmHg) La constante K es igual a 863mmHg en condiciones TCPS y cuando V˙a y V˙co2 se expresan en las mismas unidades (p. ej., ml/min). Las siglas TCPS significan que el aire está a la temperatura corporal (310K, es decir 37 °C), a la presión atmosférica ambiental (760mmHg) y saturado con vapor de agua. Empleando la forma reordenada de la ecuación, la Pco2 alveolar se puede predecir si se conocen dos variables: (1) la tasa de producción de CO2 a partir del metabolismo aeróbico de los tejidos, y (2) la ventilación alveolar que excreta este CO2 en el aire espirado. Un punto crítico que debe explicarse a partir de la ecuación de ventilación alveolar es que si la producción de CO2 es constante, entonces la PaCO2 está determinada por la ventilación alveolar. Para un nivel constante de producción de CO2, existe una relación hiperbólica entre la PaCO2 y el V˙a (fig. 5-4). Los incrementos en la ventilación alveolar provocan la disminución de la PaCO2 ; por el contrario, las disminuciones de la ventilación alveolar originan un aumento de la PaCO2. Otra forma de pensar acerca de la ecuación de ventilación alveolar consiste en considerar cómo se alterará la relación entre la PaCO2 y V˙a por los cambios en la Problema. Un hombre con un volumen corriente de 550ml respira con una frecuencia de 14respiraciones/ min. La Pco2 en sangre arterial es de 40mmHg, y la Pco2 en aire espirado es 30mmHg. ¿Cuál es su ventilación minuto? ¿Cuál es su ventilación alveolar? ¿Qué porcentaje de cada volumen corriente alcanza los alvéolos funcionantes? ¿Qué porcentaje de cada volumen corriente es espacio muerto? Solución. La ventilación minuto es igual a las veces que respira el volumen corriente por minuto, o: Ventilación minuto=550ml×14respiraciones/min =7.700ml/min La ventilación alveolar es la ventilación minuto corregida por el espacio muerto fisiológico, que debe ser calculado. Este problema ilustra el método habitual para valorar el espacio muerto fisiológico, que representa estructuras que son ventiladas, pero que no están intercambiando CO2. Vd=Vc×PaCO2 −PECO2 \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ PaCO2 =550ml× 40mmHg−30mmHg \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ 40mmHg =550ml×0,25 =138ml Por tanto, la ventilación alveolar (V˙a) es V˙a=(Vc−Vd)×Respiraciones/min =(500ml−138ml)×14respiraciones/min =412ml×14respiraciones/min =5.768ml/min Si el volumen corriente es 550ml y el espacio muerto fisiológico es 138ml, entonces el volumen de aire fresco que alcanza a los alvéolos funcionantes en cada respiración es 412ml, o el 75% de cada volumen corriente. Según esto, el espacio muerto es el 25% de cada volumen corriente. 190 Fisiología producción de CO2. Por ejemplo, si la producción de CO2, o V˙co2, es el doble (p. ej., durante el ejercicio extremo), la relación hiperbólica entre la PaCO2 y el V˙a se desplaza hacia la derecha (v. fig. 5-4). En estas condiciones, la única forma de mantener la PaCO2 en su valor normal (unos 40mmHg) es que la ventilación alveolar también sea doble. El gráfico muestra que si la producción de CO2 aumenta desde 200ml/min hasta 400ml/min, la PaCO2 se mantiene en 40mmHg si, simultáneamente, el V˙a aumenta desde 5 a 10l/min. Ecuación de gas alveolar La ecuación de ventilación alveolar describe la dependencia de la Pco2 alveolar respecto de la ventilación alveolar. Una segunda ecuación, la ecuación del gas alveolar, se emplea para predecir la Po2 alveolar basada en la Pco2 alveolar, tal como se ilustra por el diagrama oxígeno-dióxido de carbono en la figura 5-5. La ecuación del gas alveolar se expresa como sigue: Pao2 =Pio2 −Paco \_\_\_\_\_2 R +Factor de corrección donde Pao2=Po2 alveolar (mmHg) Pio2=Po2 en aire inspirado (mmHg) Paco2=PCO2 alveolar (mmHg) R=Razón de intercambio respiratorio o cociente respiratorio (CO2/consumo de O2) El factor de corrección es pequeño y suele ignorarse. En condiciones estables, R (el cociente de intercambio respiratorio) es igual al cociente respiratorio. Según la ecuación de ventilación alveolar previa, cuando la ventilación alveolar se divide por dos, la PaCO2 se dobla (porque se elimina menos CO2 de los alvéolos). Una segunda consecuencia de dividir entre dos la ventilación alveolar es que la PaO2 disminuirá (una disminución en la ventilación alveolar significa que llega menos oxígeno al interior de los alvéolos). La ecuación del gas alveolar predice el cambio que ocurrirá en la PaO2 para un cambio Figura 5-4 La Pco2 alveolar o arterial como una función de la ventilación alveolar. La relación se describe por la ecuación de ventilación alveolar. Cuando la producción de CO2 se dobla de 200 a 400ml/min, la ventilación alveolar también debe ser el doble para mantener la PaCO2 y la PaCO2 en 40mmHg. Figura 5-5 La Pco2 como una función de la Po2. La relación se describe por la ecuación del gas alveolar. Las variaciones de la Po2 entre el aire inspirado y la sangre venosa mezclada son mucho mayores que las variaciones de la Pco2. 5---Fisiología respiratoria 191 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. determinado en la PaCO2. El valor normal de la tasa de intercambio respiratorio es 0,8, por lo que cuando la ventilación alveolar se divide entre dos, la disminución de la PaO2 será ligeramente mayor que el incremento de la PaCO2. Resumiendo, cuando el V˙a se divide entre dos, la PaCO2 se dobla y la PaO2 es ligeramente mayor de la mitad. La inspección posterior de la ecuación del gas alveolar revela que, si por algún motivo, la tasa de intercambio respiratorio cambia, la relación entre PaCO2 y PaO2 también cambia. Como se ha dicho, el valor normal de la tasa de intercambio respiratorio es 0,8. Sin embargo, si la tasa de producción de CO2 disminuye en relación con la tasa de consumo de O2 (p. ej., si el cociente respiratorio y la tasa de intercambio respiratorio son 0,6 en lugar de 0,8), entonces la PaO2 disminuirá en relación con la PaCO2. Volúmenes espiratorios forzados La capacidad vital es el volumen que se puede espirar después de una inspiración máxima. La capacidad vital forzada (CVF) es el volumen total de aire que se puede espirar de forma forzada después de una inspiración máxima, como se muestra en la figura 5-6. El volumen de aire que se puede espirar de forma forzada en el primer segundo se denomina VEMS1 (volumen espiratorio máximo en 1 segundo). Así, el volumen acumulado espirado en 2s se denomina VEMS2 y el volumen acumulado en 3s se denomina VEMS3. Normalmente, toda la capacidad vital se puede espirar de forma forzada en 3s, por lo que no es necesario definir «VEMS4». La CVF y el VEMS1 son índices útiles de enfermedad pulmonar. Específicamente, la fracción de la capacidad PROBLEMA. Un hombre tiene una tasa de producción de CO2 que representa el 80% de la tasa de consumo de O2. Si su Pco2 arterial es 40 mmHg y la Po2 en aire traqueal humidificado es 150 mmHg, ¿cuál es su Po2 alveolar? SOLUCIÓN. Para resolver este problema, una asunción básica es que la sangre arterial se equilibra con el aire alveolar. Por tanto, la PaCO2 (necesaria para la ecuación de gas alveolar) es igual a la PaCO2 (proporcionada en el problema). Mediante la ecuación de gas alveolar, la PaO2 se puede calcular a partir de la PaCO2 si se conocen el cociente respiratorio y la Po2 del aire inspirado. Se sabe que la producción de CO2 es el 80% del consumo de O2; por tanto, el cociente respiratorio es 0,8, un valor normal. La PaO2 se calcula de la siguiente forma: Pao2 =Pio2 −Paco2 /R =150mmHg−40mmHg/0,8 =150mmHg−50mmHg =100mmHg Este valor calculado de la PaO2 se puede confirmar en el diagrama de O2-CO2 que se muestra en la figura 5-4. El gráfico indica que el gas alveolar o la sangre arterial con una Pco2 de 40mmHg tendrá una Po2 de 100mmHg cuando el cociente respiratorio es 0,8, exactamente el valor calculado por la ecuación de gas alveolar. Figura 5-6 VCF y VEMS1 en individuos sanos y en pacientes con enfermedad pulmonar. Primero inspiran lo máximo que pueden y después espiran de forma forzada. A-C, Los gráficos muestran la fase de espiración forzada. El volumen total que se espira de forma forzada se denomina capacidad vital forzada (CVF). El volumen espirado en el primer segundo se denomina VEMS1. 192 Fisiología vital que se puede espirar en el primer segundo, VEMS1/ CVF, se puede utilizar para diferenciar varias enfermedades. Por ejemplo, en una persona sana, el cociente VEMS1/CVF es aproximadamente 0,8, lo que significa que el 80% de la capacidad vital puede ser espirado en el primer segundo de una espiración forzada (v. fig. 5-6A). En un paciente con una enfermedad pulmonar obstructiva como el asma, tanto la CVF como el VEMS1 están reducidos, pero el VEMS1 más que la CVF. Por tanto, el cociente VEMS1/CVF también está reducido, lo que es habitual en la obstrucción de la vía aérea con incremento de la resistencia al flujo aéreo espiratorio (v. fig. 5-6B). En un paciente con una enfermedad pulmonar restrictiva como la fibrosis, tanto la CVF como el VEMS1 están reducidos, pero el VEMS1 menos que la CVF. Por tanto, en la fibrosis, el cociente VEMS1/CVF está aumentado (v. fig. 5-6C). Mecánica de la respiración Músculos utilizados en la respiración Músculos de la inspiración El diafragma es el músculo más importante para la inspiración. Cuando el diafragma se contrae, el contenido abdominal es empujado hacia abajo y las costillas se horizontalizan hacia arriba y hacia fuera. Estos cambios causan el aumento del volumen intratorácico, que disminuye la presión intratorácica e inicia el flujo de aire al interior de los pulmones. Durante el ejercicio, cuando la frecuencia de respiración y el volumen corriente aumentan, los músculos intercostales externos y los músculos accesorios también se utilizan para una inspiración más vigorosa. Músculos de la espiración Normalmente, la inspiración es un proceso pasivo. El aire es extraído de los pulmones por el gradiente de presión inversa entre los pulmones y la atmósfera hasta que el sistema alcanza de nuevo su punto de equilibrio. Durante el ejercicio o en enfermedades en las que aumenta la resistencia de la vía aérea (p. ej., asma), los músculos espiratorios pueden ayudar al proceso espiratorio. Los músculos de la espiración incluyen los músculos abdominales, que comprimen la cavidad abdominal y empujan el diafragma hacia arriba, y los músculos intercostales internos, que estiran de las costillas hacia abajo y hacia dentro. Adaptabilidad El concepto de adaptabilidad tiene el mismo significado en el sistema respiratorio que en el sistema cardiovascular: la adaptabilidad describe la distensibilidad del sistema. En el sistema respiratorio, la adaptabilidad de los pulmones y de la pared torácica es de interés primordial. Hay que recordar que la adaptabilidad es una medida de cómo cambia el volumen como resultado de un cambio de la presión. De esta forma, la adaptabilidad pulmonar describe el cambio en el volumen pulmonar para un determinado cambio en la presión. La adaptabilidad de los pulmones y de la pared torácica guarda una relación inversa con sus propiedades elásticas o elastancia. Para apreciar la relación inversa entre la adaptabilidad y la elastancia, hay que pensar en dos bandas elásticas de goma, una fina y otra gruesa. La banda de goma fina tiene la cantidad más pequeña de «tejido» elástico (se estira fácilmente y es muy distensible y adaptable). La banda de goma gruesa tiene la mayor cantidad de «tejido» elástico, es difícil de estirar y es menos distensible y adaptable. Además, cuando se estira la banda de goma gruesa, con su mayor elastancia, «vuelve hacia atrás» con mayor vigor que la banda de goma fina. Igual sucede con las estructuras pulmonares: cuanto mayor es la cantidad de tejido elástico, mayor es la tendencia a «volver hacia atrás» y mayor la fuerza de recuperación elástica, pero menor es la adaptabilidad. La determinación de la adaptabilidad pulmonar requiere la determinación simultánea de la presión y el volumen pulmonares. Sin embargo, el término para la presión puede ser ambiguo, ya que «presión» puede significar presión en el interior de los alvéolos, presión en el exterior de los alvéolos e incluso presión transmural a través de las paredes alveolares. La presión transmural es la presión a través de una estructura, como por ejemplo, la diferencia entre la presión intraalveolar y la presión intrapleural. (El espacio intrapleural se encuentra entre los pulmones y la pared torácica.) Finalmente, las presiones pulmonares siempre se refieren a la presión atmosférica, que se considera 0. Las presiones superiores a la presión atmosférica son positivas y las inferiores a la presión atmosférica son negativas. Adaptabilidad de los pulmones La relación presión-volumen en un pulmón aislado se ilustra en la figura 5-7. Para ver esta demostración, se ha extraído un pulmón y se ha colocado en un recipiente. El espacio exterior al pulmón es análogo al espacio intrapleural. La presión externa al pulmón se modifica con una bomba de vacío para simular los cambios de las presiones intrapleurales. Cuando la presión exterior al pulmón cambia, se determina el volumen del pulmón con un espirómetro. El pulmón se infla con presión externa negativa y después se desinfla reduciendo la presión externa negativa. La secuencia de inflado después de la deflación da lugar a un bucle de presión-volumen. La pendiente de cada una de las ramas de la curva presión-volumen es la adaptabilidad del pulmón aislado. En el experimento del pulmón relleno con aire, las vías aéreas y los alvéolos están abiertos a la atmósfera y la presión alveolar es igual a la presión atmosférica. Cuando la presión exterior al pulmón se vuelve más negativa con la bomba de vacío, los pulmones se inflan y su volumen aumenta. Por tanto, esta presión externa negativa que expande los pulmones es una presión de expansión. Los pulmones se rellenan con aire durante la rama inspiratoria de la curva presión-volumen. Con las presiones de expansión más altas, cuando los alvéolos están llenos hasta el límite, se vuelven más rígidos y menos 3 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. adaptables, y la curva se aplana. Cuando los pulmones están expandidos en su punto máximo, la presión exterior a los pulmones se hace gradualmente menos negativa, dando lugar a que el volumen pulmonar disminuya a lo largo la rama espiratoria de la curva presión-volumen. Una característica inusual de la curva presión-volumen para el pulmón lleno de aire es que las pendientes de las relaciones para la inspiración y la espiración son diferentes, un fenómeno denominado histéresis. Puesto que la pendiente de la relación presión-volumen es la adaptabilidad, se deduce que la adaptabilidad del pulmón también debe ser diferente en la inspiración y en la espiración. Para una presión exterior determinada, el volumen del pulmón es mayor durante la espiración que durante la inspiración (y lo mismo ocurre con la adaptabilidad). Generalmente, la adaptabilidad se mide en la rama espiratoria de la curva presión-volumen, puesto que la rama inspiratoria se complica por la disminución de la adaptabilidad a las presiones de expansión máximas. ¿Por qué las ramas de inspiración y espiración de la curva de adaptabilidad pulmonar son diferentes? Puesto que la adaptabilidad es una propiedad intrínseca del pulmón, que depende de la cantidad de tejido elástico, se podría pensar que las dos curvas deberían ser la misma. La explicación para las diferentes curvas (es decir, la histéresis) se encuentra en la tensión superficial en la interfase líquido-aire en el pulmón relleno de aire: las fuerzas de atracción intermoleculares entre las moléculas líquidas que recubren el pulmón son mucho más fuertes que las existentes entre las moléculas de líquido y aire. Las curvas para la inspiración y la espiración en el pulmón relleno de aire son diferentes por el siguiente motivo: ♦ En la rama inspiratoria, se empieza con un volumen pulmonar bajo en el que las moléculas líquidas están más juntas y las fuerzas intermoleculares son mayores; para inflar el pulmón, primero hay que romper estas fuerzas intermoleculares. El surfactante (v. más adelante en este capítulo) interviene en la histéresis. Brevemente, el surfactante es un fosfolípido producido por las células alveolares de tipo II que funciona como un detergente reductor de la tensión superficial y que aumenta la adaptabilidad pulmonar. Durante el inflado del pulmón (rama inspiratoria), el surfactante (recién producido por las células alveolares de tipo II) entra en la capa de líquido que recubre los alvéolos y rompe estas fuerzas intermoleculares para reducir la tensión superficial. En la parte inicial de la curva de inspiración, con volúmenes pulmonares más bajos, el área de superficie pulmonar aumenta más rápidamente de lo que se puede añadir surfactante a la capa líquida; de esta forma, la densidad del surfactante es baja, la tensión superficial es alta, la adaptabilidad es baja y la curva es aplanada. A medida que se va hinchando el pulmón, la densidad del surfactante aumenta, lo que disminuye la tensión superficial, aumenta la adaptabilidad e incrementa la pendiente de la curva. ♦ En la rama espiratoria, se empieza con un volumen pulmonar alto, en el que las fuerzas intermoleculares de las moléculas de líquido son bajas; no es necesario romper las fuerzas intermoleculares para desinflar el pulmón. Durante el desinflado del pulmón (rama espiratoria), el área de la superficie pulmonar disminuye más rápidamente de lo que se puede eliminar el surfactante de la capa líquida y la densidad de las moléculas de surfactante aumenta rápidamente, lo que disminuye la tensión superficial y aumenta la adaptabilidad; así, la porción inicial de la rama espiratoria es plana. A medida que aparece la espiración, el surfactante se elimina de la capa líquida y la densidad del surfactante se mantiene relativamente constante, al igual que la adaptabilidad del pulmón. En resumen, para el pulmón lleno de aire, las curvas de adaptabilidad observadas están determinadas en parte por la adaptabilidad intrínseca del pulmón y en parte por la tensión superficial en la interfase líquido-aire. La función de la tensión superficial se demuestra por la repetición del experimento en un pulmón relleno de suero fisiológico. Las ramas de inspiración y de espiración son las mismas cuando la interfase líquido-aire y, por tanto, la tensión superficial, se elimina. Adaptabilidad de la pared torácica La figura 5-8 muestra la relación entre los pulmones y la pared torácica. Las vías aéreas de conducción están representadas por un tubo único y la región de intercambio de gases, por un alvéolo único. El espacio intrapleural (entre los pulmones y la pared torácica) se muestra mucho mayor que su tamaño real. Al igual que los pulmones, la pared torácica es adaptable. Su adaptabilidad se puede Figura 5-7 Adaptabilidad del pulmón. La relación entre el volumen del pulmón y su presión se obtiene mediante el inflado de un pulmón aislado. La inclinación de cada curva es la adaptabilidad. En el pulmón lleno de aire, la inspiración (inflado) y la espiración (desinflado) siguen curvas diferentes, lo cual se conoce como histéresis. 194 Fisiología demostrar mediante la introducción de aire dentro del espacio intrapleural, lo que crea un neumotórax. Para comprender las consecuencias de un neumotórax, debe identificarse primero que, normalmente, el espacio intrapleural tiene una presión negativa (inferior a la atmosférica). Esta presión intrapleural negativa se crea a partir de dos fuerzas elásticas opuestas que tiran del espacio intrapleural: los pulmones, con sus propiedades elásticas, tienden a colapsarse, y la pared torácica, con sus propiedades elásticas, tiende a distenderse (fig. 5-9). Cuando estas dos fuerzas opuestas actúan sobre el espacio intrapleural, se crea una presión negativa. A su vez, esta presión intrapleural negativa se opone a la tendencia natural de los pulmones a colapsarse y de la pared torácica a expandirse (evita que los pulmones se colapsen y la pared torácica se distienda). Cuando un objeto punzante entra en el espacio intrapleural, se introduce aire en el interior de este espacio (neumotórax) y la presión intrapleural se iguala bruscamente con la presión atmosférica; de esta forma, en lugar de su valor negativo normal, la presión intrapleural pasa a ser 0. Éstas son dos consecuencias importantes de un neumotórax (v. fig. 5-9). Primero, sin la presión intrapleural negativa que mantiene los pulmones abiertos, los pulmones se colapsan. Segundo, sin la presión intrapleural negativa que evita que la pared torácica se expanda, la pared torácica se distiende. (Si el lector tiene problemas para imaginarse por qué una pared torácica quiere expandirse, debe pensar en la pared torácica como un muelle que normalmente se intenta mantener comprimido entre los dedos. Por supuesto, la pared torácica está «contenida» por la presión intrapleural negativa, en lugar de por la fuerza de los dedos. Si se liberan los dedos, o se elimina la presión intrapleural negativa, el muelle o la pared torácica se distienden.) Curvas de presión-volumen de los pulmones, la pared torácica y combinadas de los pulmones y la pared torácica Se pueden obtener curvas de presión-volumen sólo para los pulmones (es decir, el pulmón aislado en un frasco), para la pared torácica sola o para la combinación del sistema entre pulmón y pared torácica, como se muestra en la figura 5-10. La curva para la pared torácica sola se obtiene sustrayendo la curva pulmonar de la curva combinada entre el pulmón y la pared torácica, que se describe más adelante. La curva del pulmón aislado es similar a la que se muestra en la figura 5-7, eliminando la histéresis con el fin de simplificar. La curva del sistema combinado entre pulmón y pared torácica se obtiene haciendo que un individuo entrenado respire en un espirómetro de la forma siguiente: el sujeto espira o inspira a un volumen determinado. La válvula del espirómetro se cierra y el sujeto relaja sus músculos respiratorios, determinándose en ese momento la presión de su vía aérea (que se denomina presión de relajación). De esta forma, se obtienen los valores de presión en la vía aérea a una serie de volúmenes estáticos de la combinación del sistema entre pulmón y pared torácica. Cuando el volumen es la capacidad residual funcional (CRF), la presión en la vía aérea es 0 e Figura 5-8 Representación esquemática del sistema del pulmón y de la pared torácica. El espacio intrapleural está exagerado; se encuentra en los pulmones y la pared torácica. Figura 5-9 Presión intrapleural en una persona sana y en otra con neumotórax. Las cifras son las presiones en cm H2O. Las presiones se refieren a la presión atmosférica; por tanto, la presión 0 es igual a la presión atmosférica. Las flechas muestran las fuerzas elásticas de expansión y de colapso. Normalmente, en reposo, la presión intrapleural es de −5cm H2O debido a la existencia de fuerzas iguales y opuestas que intentan colapsar los pulmones y expandir la pared torácica. En el caso de un neumotórax, la presión intrapleural llega a ser igual a la presión atmosférica, haciendo que los pulmones se colapsen y que la pared torácica se expanda. 5---Fisiología respiratoria 195 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. iguala la presión atmosférica. Con volúmenes inferiores a la CRF, las presiones de la vía aérea son negativas (menos volumen, menos presión). Con volúmenes superiores a la CRF, las presiones en la vía aérea son positivas (más volumen, más presión). La pendiente de cada una de las curvas en la figura 5-10 es la adaptabilidad. La adaptabilidad de la pared torácica sola es aproximadamente igual a la adaptabilidad de los pulmones solos. (Obsérvese que en el gráfico, las pendientes son similares.) Sin embargo, la adaptabilidad del sistema combinado entre pulmón y pared torácica es inferior a la de cualquiera de las estructuras por separado (es decir, la curva de la combinación de pulmón y pared torácica es «más plana»). Se puede visualizar un globo en el interior de otro globo (la pared torácica). Cada uno de los globos es adaptable por sí mismo, pero el sistema combinado (el globo dentro de otro globo) es menos adaptable y más difícil de expandir. La forma más fácil de interpretar las curvas de la figura 5-10 es empezar con el volumen denominado CRF, que es el volumen de reposo o de equilibrio del sistema combinado entre pulmón y pared torácica. La CRF es el volumen presente en los pulmones después de que una persona ha espirado un volumen corriente normal. Cuando se comprenden los gráficos en la CRF, entonces se pueden comparar los gráficos con volúmenes inferiores a la CRF y superiores a la CRF. ♦ El volumen es la CRF. Cuando el volumen es la CRF, el sistema combinado de pulmón y pared torácica está en equilibrio. La presión en la vía aérea es igual a la presión atmosférica, que se denomina 0. (Obsérvese que cuando el volumen es la CRF, la curva combinada entre pulmón y pared torácica intersecciona con el eje de las X a una presión en la vía aérea de 0.) En la CRF, puesto que son estructuras elásticas, los pulmones «quieren» colapsarse y la pared torácica «quiere» expandirse. Si estas fuerzas elásticas no tuvieran oposición, las estructuras harían esto exactamente. Sin embargo, en la CRF, en la posición de equilibrio, la fuerza de colapso sobre los pulmones es exactamente igual a la fuerza de expansión sobre la pared torácica, como muestran las flechas equidistantes; el sistema combinado entre pulmón y pared torácica no tiene tendencia a colapsarse ni a expandirse. ♦ El volumen es inferior en la CRF. Cuando el volumen en el sistema es inferior a la CRF (es decir, el sujeto hace una espiración forzada en el interior del espirómetro), hay menos volumen en los pulmones y la fuerza de colapso (elástica) de los pulmones es más pequeña. Sin embargo, la fuerza de expansión sobre la pared torácica es más grande y el sistema combinado de pulmón y pared torácica «quiere» expandirse. (Obsérvese en el gráfico que, a volúmenes inferiores a la CRF, la fuerza de colapso sobre los pulmones es más pequeña que la fuerza de expansión sobre la pared torácica y el sistema combinado tiende a expandirse.) ♦ El volumen es mayor que la CRF. Cuando el volumen en el sistema es mayor que la CRF (es decir, el individuo inspira desde el espirómetro), hay más volumen en los pulmones y la fuerza de colapso elástica de los pulmones es mayor. Sin embargo, la fuerza de expansión sobre la pared torácica es más pequeña y el sistema combinado de pulmón y pared torácica «quiere» colapsarse. (Obsérvese en el gráfico que, en volúmenes mayores de la CRF, la fuerza de colapso de los pulmones es mayor que la fuerza de expansión de la pared torácica, y el sistema global tiende a colapsarse. En volúmenes pulmonares muy altos, tanto los pulmones como la pared torácica «quieren» colapsarse \[obsérvese que la curva de la pared torácica ha cruzado el eje vertical en volúmenes altos\] y existe una fuerza de colapso muy grande sobre el sistema combinado.) Figura 5-10 Adaptabilidad de los pulmones, la pared torácica y el sistema combinado de pulmones y pared torácica. La posición de equilibrio se alcanza con la capacidad residual funcional (CRF), cuando la fuerza de expansión sobre la pared torácica es exactamente igual a la fuerza de colapso sobre los pulmones. 196 Fisiología Cambios en la adaptabilidad pulmonar La adaptabilidad de los pulmones cambia debido a enfermedad, las pendientes de las relaciones cambian y, como resultado de ello, el volumen del sistema combinado de pulmón y pared torácica también cambia, como se ilustra en la figura 5-11. Como referencia, las relaciones normales de la figura 5-10 se muestran en la parte superior de la figura 5-11. Para mayor claridad, cada componente del sistema se muestra en un gráfico separado (es decir, pared torácica sola, pulmón solo y combinación de pulmón y pared torácica). La pared torácica sola se incluye para completar la representación, ya que su adaptabilidad no se ve alterada por estas enfermedades. Las líneas continuas en cada una de las tres gráficas muestran las relaciones normales de la figura 5-10. Las líneas discontinuas muestran los efectos de la enfermedad. ♦ Enfisema (aumento de la adaptabilidad pulmonar). El enfisema se asocia con pérdida de fibras elásticas en los pulmones. Como resultado de ello, la adaptabilidad de los pulmones aumenta. (Recuerde de nuevo la relación inversa entre la elastancia y la adaptabilidad.) El aumento de la adaptabilidad se asocia con el aumento de la pendiente (más inclinada) de la curva de volumen-presión (v. fig. 5-11B). Como resultado de ello, a un volumen determinado, la fuerza de colapso (recuperación elástica) de los pulmones está reducida. En el valor original de la CRF, la tendencia de los pulmones a colapsarse es menor que la tendencia de la pared torácica a expandirse, y estas fuerzas opuestas ya no estarán equilibradas. Con el fin de equilibrar las fuerzas opuestas, debe añadirse volumen a los pulmones para aumentar su fuerza de colapso. De esta forma, el sistema combinado de pulmón y pared Figura 5-11 Cambios en la adaptabilidad de la pared torácica (A), los pulmones (B) y el sistema combinado de pulmón y pared torácica (C) en el enfisema y la fibrosis. El punto de equilibrio, la capacidad residual funcional (CRF), está aumentado en el enfisema y está disminuido en la fibrosis. 5---Fisiología respiratoria 197 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. torácica busca una nueva CRF más alta, en la que las dos fuerzas opuestas pueden estar equilibradas (v. fig. 5-11C); el nuevo punto de intersección, en el que la presión de la vía aérea es 0, está aumentado. Se dice que un paciente con enfisema respira con volúmenes pulmonares más altos (reconociendo la mayor CRF) y tendrá un tórax en forma de barril. ♦ Fibrosis (disminución de la adaptabilidad pulmonar). La fibrosis, también denominada enfermedad restrictiva, se asocia con la rigidez de los tejidos pulmonares y una reducción de la adaptabilidad. La disminución de la adaptabilidad pulmonar se asocia con la disminución de la pendiente de la curva de volumen-presión del pulmón (v. fig. 5-11B). En la CRF original, la tendencia de los pulmones a colapsarse es mayor que la tendencia de la pared torácica a expandirse, y las fuerzas opuestas ya no estarán equilibradas. Para restablecer el equilibrio, el sistema de pulmón y pared torácica buscará una nueva CRF más baja (v. fig. 5-11C); el nuevo punto de intersección, en el que la presión en la vía aérea es 0, está disminuido. Tensión superficial de los alvéolos El pequeño tamaño de los alvéolos representa un problema especial para mantenerlos abiertos. Este «problema» se puede explicar de la siguiente forma: los alvéolos están revestidos por una película de líquido. Las fuerzas de atracción entre las moléculas adyacentes del líquido son más fuertes que las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido y las moléculas de gas del interior de los alvéolos, lo cual crea una tensión superficial. Cuando las moléculas de líquido se unen por las fuerzas de atracción, el área de superficie se vuelve lo más pequeña posible, formando una esfera (como las burbujas de jabón que aparecen en el extremo de un tubo). La tensión superficial genera una presión que tiende a colapsar la esfera. La presión generada por esta esfera se rige por la ley de Laplace: P=\_\_\_ 2T r donde P=Presión de colapso en el alvéolo (dinas/cm2 ) o Presión necesaria para mantener el alvéolo abierto (dinas/cm2 ) T=Tensión superficial (dinas/cm) r=Radio del alvéolo (cm) La ley de Laplace establece que la presión que tiende a colapsar un alvéolo es directamente proporcional a la tensión superficial generada por las moléculas de líquido que revisten el alvéolo e inversamente proporcional al radio alveolar (fig. 5-12). Debido a la relación inversa con el radio, un alvéolo grande (con un radio grande) tendría una presión de colapso baja, y por tanto, requeriría sólo una presión mínima para mantenerlo abierto. Por otro lado, un alvéolo pequeño (con un radio pequeño) tendría una presión de colapso elevada y requeriría más presión para mantenerlo abierto. De esta forma, los alvéolos pequeños no son ideales debido a su tendencia al colapso. Y sin embargo, desde el punto de vista del intercambio de gases, los alvéolos tienen que ser lo más pequeños posible para aumentar su área de superficie total. Este conflicto fundamental se resuelve mediante el surfactante. Surfactante A partir del razonamiento del efecto del radio sobre la presión de colapso, la cuestión que surge es: ¿Cómo pueden los pequeños alvéolos permanecer abiertos cuando están sometidos a presiones de colapso elevadas? La respuesta a esta pregunta se encuentra en el surfactante, una mezcla de fosfolípidos que recubre los alvéolos y que reduce su tensión superficial, disminuyendo así la presión de colapso para un radio determinado. La figura 5-12 muestra dos alvéolos pequeños, uno con surfactante y otro sin él. Sin surfactante, la ley de Laplace dice que el alvéolo pequeño se colapsará (atelectasia). Figura 5-12 Efecto del tamaño alveolar y el surfactante sobre la presión de colapso. La longitud de las flechas muestra la magnitud relativa de la presión de colapso. 198 Fisiología Con surfactante, el mismo pequeño alvéolo permanecerá abierto (inflado con aire) porque la presión de colapso se ha reducido. El surfactante es sintetizado por las células alveolares de tipo II a partir de ácidos grasos. La composición exacta del surfactante sigue siendo desconocida, pero el constituyente más importante es la dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC). El mecanismo por el cual la DPPC reduce la tensión superficial se basa en la naturaleza amfipática de las moléculas de fosfolípido (hidrofóbica en un extremo, hidrofílica en el otro). Las moléculas de DPPC se alinean ellas mismas sobre la superficie alveolar, con sus porciones hidrofóbicas que se atraen entre ellas y sus porciones hidrofílicas que se repelen. Las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de DPPC rompen las fuerzas de atracción entre las moléculas líquidas que tapizan los alvéolos (responsables de la tensión superficial elevada). De esta forma, cuando existe surfactante, la tensión superficial y la presión de colapso se reducen y los alvéolos pequeños se mantienen abiertos. El surfactante proporciona otra ventaja para la función pulmonar: aumenta la adaptabilidad pulmonar, lo que reduce el trabajo de expandir los pulmones durante la inspiración. (Hay que recordar, a partir de la figura 5-11, que el incremento de la adaptabilidad de los pulmones reduce la fuerza de colapso a un volumen determinado, por lo que es más fácil que los pulmones se expandan.) En el síndrome de dificultad respiratoria neonatal falta surfactante. En el feto en desarrollo, la síntesis de surfactante empieza temprano, en la semana 24 de gestación, y casi siempre está presente en la semana 35. Cuanto más prematuramente nace el niño, menos probable es que exista surfactante. Los recién nacidos antes de la semana gestacional 24 nunca tendrán surfactante y los recién nacidos entre las semanas 24 y 35 tendrán una cantidad indeterminada de surfactante. Las consecuencias de la falta de surfactante en el recién nacido son que, sin él, los alvéolos pequeños tendrán una tensión superficial aumentada y presiones elevadas, y por tanto se colapsarán (atelectasia). Los alvéolos colapsados no están ventilados y, por tanto, no pueden participar en el intercambio de gases (esto se denomina cortocircuito (shunt), se trata más adelante en el capítulo); en consecuencia, aparece hipoxemia. Sin surfactante, la adaptabilidad pulmonar estará reducida y el trabajo para inflar los pulmones durante la respiración estará aumentado. Relaciones del flujo aéreo, la presión y la resistencia La relación entre flujo aéreo, presión y resistencia en los pulmones es análoga a la relación en el sistema cardiovascular. El flujo aéreo es análogo al flujo sanguíneo, las presiones del gas son análogas a las presiones del fluido y la resistencia de las vías aéreas es análoga a la resistencia de los vasos sanguíneos. La siguiente relación nos resulta ahora familiar: Q=\_\_\_ ∆P R donde Q=Flujo aéreo (ml/min o l/min) ∆P=Gradiente de presión (mmHg o cm H2O) R=Resistencia de la vía aérea (cm H2O/l/s) En otras palabras, el flujo aéreo (Q) es directamente proporcional a la diferencia de presión (∆P) entre la boca o la nariz y los alvéolos, e inversamente proporcional a la resistencia de las vías aéreas (R). Es importante comprender que la diferencia de presión es la fuerza impulsora (sin una diferencia de presión, el flujo aéreo no tendrá lugar). Para ilustrar este punto, hay que comparar las presiones en diferentes fases del ciclo respiratorio, en reposo (entre las respiraciones) y durante la inspiración. Entre las respiraciones, la presión alveolar iguala a la presión atmosférica; no existe gradiente de presión, no hay fuerza impulsora y no hay flujo aéreo. Por otro lado, durante la inspiración, el diafragma se contrae y esto incrementa el volumen pulmonar, lo que disminuye la presión alveolar y establece un gradiente de presión que impulsa el flujo aéreo al interior de los pulmones. Resistencia de la vía aérea En el sistema respiratorio, como en el sistema cardiovascular, el flujo es inversamente proporcional a la resistencia (Q=∆P/R), que está determinada por la ley de Poiseuille. Por tanto, R = 8\_\_\_l πr 4 donde R=Resistencia =Viscosidad del aire inspirado l=Longitud de la vía aérea r=Radio de la vía aérea Hay que tener en cuenta la relación poderosa que existe entre la resistencia (R) y el radio (r) de las vías aéreas a causa de una dependencia de la cuarta potencia del radio. Por ejemplo, si el radio de una vía aérea disminuye según un factor 2, la resistencia no aumenta al doble, sino que aumenta multiplicada por 24 (16 veces). Cuando la resistencia aumenta 16 veces, el flujo aéreo disminuye 16 veces, un efecto muy importante. Los bronquios de tamaño medio son los lugares donde se encuentra la mayor resistencia de la vía aérea. Podría parecer que las vías aéreas más pequeñas proporcionarían la mayor resistencia al flujo aéreo, de acuerdo con la relación inversa de cuarta potencia entre la resistencia y el radio. Sin embargo, debido a su disposición en paralelo, las vías aéreas más pequeñas no tienen la mayor resistencia. Hay que recordar que cuando los vasos sanguíneos están dispuestos en paralelo, la resistencia total es menor que las resistencias individuales (v. cap. 4). Cambios en la resistencia de la vía aérea La relación entre la resistencia de la vía aérea y el diámetro de la misma (radio) es una relación significativa, 5---Fisiología respiratoria 199 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. de cuarta potencia. Por tanto, es lógico que los cambios en el diámetro de la vía aérea supongan el principal mecanismo de alteración de la resistencia y del flujo aéreo. El músculo liso de las paredes de las vías aéreas de conducción está inervado por fibras nerviosas autónomas; cuando son activadas, estas fibras provocan constricción o dilatación de las vías aéreas. Los cambios en el volumen pulmonar y en la viscosidad del aire inspirado también pueden cambiar la resistencia al flujo aéreo. ♦ Sistema nervioso autónomo. El músculo liso bronquial está inervado por fibras nerviosas colinérgicas parasimpáticas y por fibras nerviosas adrenérgicas sim - páticas. La activación de estas fibras provoca constricción o dilatación del músculo liso bronquial, lo que disminuye o aumenta el diámetro de la vía aérea de la siguiente forma: (1) La estimulación parasimpática causa constricción del músculo liso bronquial, disminuyendo el diámetro de la vía aérea y aumentando la resistencia al flujo aéreo. Estos efectos se pueden estimular mediante agonistas muscarínicos (p. ej., muscarina y carbacol) y se pueden bloquear mediante antagonistas muscarínicos (p. ej., atropina). La constricción del músculo liso bronquial también ocurre en el asma y en la respuesta a sustancias irritantes. (2) La estimulación simpática provoca la relajación del músculo liso bronquial a través de la estimulación de los receptores b2. La relajación del músculo liso bronquial da lugar a un aumento del diámetro de la vía aérea y a una disminución de la resistencia al flujo aéreo. Por tanto, los agonistas b2 como la adrenalina, el isoproterenol y el albuterol causan la relajación del músculo liso bronquial, en lo que se basa su utilidad en el tratamiento del asma. ♦ Volumen pulmonar. Los cambios en el volumen pulmonar alteran la resistencia de la vía aérea porque el tejido pulmonar de alrededor ejerce tracción radial sobre las vías aéreas. Los volúmenes pulmonares elevados se asocian con una mayor tracción. Los volúmenes pulmonares bajos se asocian con una menor tracción, lo que incrementa la resistencia de la vía aérea, incluso hasta el punto del colapso de la misma. Las personas con asma respiran con volúmenes pulmonares mayores y compensan parcialmente la resistencia elevada de la vía aérea que presenta su enfermedad (es decir, el mecanismo de volumen ayuda actúa como compensador al reducir la resistencia de la vía aérea). ♦ Viscosidad del aire inspirado (). El efecto de la viscosidad del aire inspirado sobre la resistencia es evidente a partir de la relación de Poiseuille. Aunque no es frecuente, los aumentos de la viscosidad del gas (p. ej., como sucede durante el sueño y durante la inmersión) causan aumentos de la resistencia y las disminuciones de la viscosidad (p. ej., al respirar un gas con densidad baja como el helio) causan disminuciones de la resistencia. Ciclo respiratorio El ciclo respiratorio normal se ilustra en las figuras 5-13 y 5-14. Con el propósito de la discusión, el ciclo respiratorio se divide en fases: reposo (el período entre las respiraciones), inspiración y espiración. En la figura 5-13 se muestran tres parámetros para describir el ciclo respiratorio: el volumen de aire que se mueve hacia dentro y hacia fuera de los pulmones, la presión intrapleural y la presión alveolar. La figura 5-14 muestra una imagen ya familiar de los pulmones (representados por un alvéolo), la pared torácica y el espacio intrapleural entre el pulmón y la pared torácica. Las presiones, en cm H2O, se muestran en diferentes puntos del ciclo respiratorio. La presión atmosférica es 0 y los valores de las presiones alveolar e intrapleural se muestran en los espacios apropiados. Las flechas amarillas muestran la dirección y la magnitud de la presión transmural a través de los pulmones. De forma convencional, la presión transmural se calcula como la presión alveolar menos la presión intrapleural. Si la presión transmural es positiva, es una presión de expansión del pulmón y la flecha apunta hacia fuera. Por ejemplo, si la presión alveolar es 0 y la presión intrapleural es --5cm H2O, existe una presión de expansión de los pulmones de +5cm H2O (0 -- \[−5cm H2O\]=+5cm H2O). Si la presión transmural es negativa, hay una presión de colapso del pulmón y la flecha apunta hacia dentro (no se ilustra en esta figura). Obsérvese que en todas las fases del ciclo respiratorio normal, a pesar de Figura 5-13 Volúmenes y presiones durante el ciclo respiratorio normal. La presión intrapleural y la presión alveolar se refieren a la presión atmosférica. Las letras A a D corresponden a fases del ciclo respiratorio en la figura 5-14. 200 Fisiología la existencia de cambios en las presiones alveolar e intrapleural, las presiones transmurales a través de los pulmones son tales que éstos siempre permanecen abiertos. Las flechas azules anchas muestran la dirección del flujo de aire hacia dentro o hacia fuera de los pulmones. Reposo El reposo es el período entre los ciclos respiratorios cuando el diafragma está en posición de equilibrio (v. figs. 5-13 y 5-14A). En reposo, no se mueve el aire hacia dentro o hacia fuera de los pulmones. La presión alveolar es igual a la presión atmosférica, y las presiones del pulmón siempre se refieren a la presión atmosférica, por lo que se dice que la presión alveolar es 0. No hay flujo aéreo en reposo porque no hay diferencia de presión entre la atmósfera (la boca o la nariz) y los alvéolos. En reposo, la presión intrapleural es negativa, o aproximadamente --5cm H2O. El motivo por el cual la presión intrapleural es negativa se ha explicado antes: las fuerzas Figura 5-14 Presiones durante el ciclo respiratorio normal. Las cifras proporcionan las presiones en cm H2O en relación con la presión atmosférica (Patm). Las cifras situadas sobre las flechas amarillas muestran la magnitud de las presiones transmurales. Las flechas anchas de color azul muestran el flujo de aire hacia dentro y hacia fuera de los pulmones. A, Reposo; B, a medio camino durante la inspiración; C, final de la inspiración; D, a medio camino durante la espiración. 5---Fisiología respiratoria 201 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. opuestas de los pulmones que intentan colapsar y las de la pared torácica que intentan expandir crean una presión negativa en el espacio intrapleural. Recuérdese el experimento del pulmón aislado en un frasco, en el que una presión negativa exterior (es decir, una presión intrapleural negativa) mantiene los pulmones inflados o expandidos. La presión transmural a través de los pulmones en reposo es +5cm H2O (presión alveolar menos presión intrapleural), lo cual significa que estas estructuras se abrirán. El volumen presente en los pulmones en reposo es el volumen de equilibrio o CRF que, por definición, es el volumen restante en los pulmones después de una espiración normal. Inspiración Durante la inspiración, el diafragma se contrae, haciendo que el volumen del tórax aumente. Cuando el volumen del pulmón aumenta, la presión en los pulmones debe disminuir. (La ley de Boyle afirma que P×V es constante a una temperatura determinada.) Durante la inspiración (v. figs. 5-13 y 5-14B), la presión alveolar disminuye por debajo de la presión atmosférica (−1cm H2O). El gradiente de presión entre la atmósfera y los alvéolos conduce el flujo aéreo hacia el interior del pulmón. El aire fluye hacia el interior de los pulmones hasta que, al final de la inspiración (v. fig. 5-14C), la presión alveolar vuelve a ser de nuevo igual a la presión atmosférica; el gradiente de presión entre la atmósfera y los alvéolos ha desaparecido y el flujo de aire al interior de los pulmones se interrumpe. El volumen de aire inspirado en una respiración es el volumen corriente (Vc), que es aproximadamente 0,5 l. Por tanto, el volumen presente en los pulmones al final de una inspiración normal es la capacidad residual funcional más un volumen corriente (CRF+Vc). Durante la inspiración, la presión intrapleural se vuelve incluso más negativa que en reposo. Hay dos explicaciones de este efecto: (1) cuando el volumen del pulmón aumenta, la recuperación elástica de los pulmones también aumenta y estira con mayor fuerza contra el espacio intrapleural, y (2) las presiones en la vía aérea y alveolar se vuelven negativas. Estos dos efectos hacen que la presión intrapleural se vuelva más negativa o de aproximadamente --8cm H2O al final de la inspiración. El grado de cambio de la presión intrapleural durante la inspiración se puede utilizar para estimar la adaptabilidad dinámica de los pulmones. Espiración Normalmente, la espiración es un proceso pasivo. La presión alveolar se vuelve positiva (más alta que la presión atmosférica) porque las fuerzas elásticas de los pulmones comprimen el mayor volumen de aire en los alvéolos. Cuando la presión alveolar aumenta por encima de la presión atmosférica (v. figs. 5-13 y 5-14D), el aire fluye hacia el exterior de los pulmones y su volumen vuelve a la CRF. El volumen espirado es el volumen corriente. Al final de la espiración (v. figs. 5-13 y 5-14A), todos los volúmenes y las presiones regresan a sus valores en reposo y el sistema está preparado para iniciar el siguiente ciclo respiratorio. Espiración forzada En una espiración forzada, una persona respira expulsando el aire de forma voluntaria y forzada. Los músculos espiratorios se emplean para conseguir que las presiones en el pulmón y las vías aéreas sean todavía más positivas que en una espiración pasiva normal. La figura 5-15 muestra un ejemplo de las presiones generadas durante una espiración forzada; una persona con pulmones normales se compara con otra con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). En una persona con unos pulmones normales, la espiración forzada hace que las presiones dentro de los pulmones y de las vías aéreas sean muy positivas. Las presiones Figura 5-15 Presiones a través de los alvéolos y las vías aéreas de conducción durante la espiración forzada en una persona sana y en una persona con enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Las cifras proporcionan la presión en cm H2O y se expresan en relación con la presión atmosférica. Las cifras situadas sobre las flechas amarillas ofrecen la magnitud de las presiones transmurales. La dirección de las flechas amarillas indica si la presión transmural es de expansión (flecha hacia fuera) o de colapso (flecha hacia dentro). Las flechas azules muestran el flujo de aire hacia dentro y hacia fuera de los pulmones. 202 Fisiología pulmonares y de las vías aéreas están elevadas muy por encima de los valores que hay durante la espiración pasiva. De esta forma, durante una espiración pasiva normal, la presión alveolar es +1cm H2O (v. fig. 5-14D); en este ejemplo de espiración forzada, la presión en la vía aérea es +25cm H2O y la presión alveolar es +35cm H2O (v. fig. 5-15). Durante la espiración forzada, la contracción de los músculos espiratorios también aumenta la presión intrapleural, hasta un valor positivo de +20cm H2O. Una pregunta importante es: ¿Se colapsarán los pulmones y las vías aéreas en estas condiciones de presión intrapleural positiva? No, mientras la presión transmural sea positiva, las vías aéreas y los pulmones permanecerán abiertos. Durante una espiración forzada normal, la presión transmural a través de las vías aéreas es la presión en la vía aérea menos la presión intrapleural, o +5cm H2O (+25 -- \[+20\]=+5cm H2O); la presión transmural a través de los pulmones es la presión alveolar menos la presión intrapleural, o +15cm H2O (+35 -- \[+20\]=+15cm H2O). Así, tanto las vías aéreas como los alvéolos permanecerán abiertos porque las presiones transmurales son positivas. La espiración será rápida y forzada porque el gradiente de presión entre los alvéolos (+35cm H2O) y la atmósfera (0) es mucho mayor de lo normal. Sin embargo, en una persona con EPOC, la espiración forzada puede hacer que las vías aéreas se colapsen. En la EPOC, la adaptabilidad de los pulmones aumenta debido a la pérdida de fibras elásticas. Durante la espiración forzada, la presión intrapleural está aumentada en el mismo grado que en una persona normal, +20cm H2O. Sin embar - go, las estructuras tienen una recuperación elástica disminuida, por lo que la presión alveolar y la presión en la vía aérea son menores que en una persona normal. El gradiente de presión transmural a través de los pulmones mantiene una presión de expansión positiva (+5cm H2O) y los alvéolos permanecen abiertos. Sin embargo, el colapso de las vías aéreas grandes ocurre porque el gradiente de presión transmural a través de ellas se invierte, convirtiéndose en una presión transmural negativa (de colapso) de --5cm H2O. Evidentemente, si las vías aéreas grandes se colapsan, la resistencia al flujo aéreo aumenta y la espiración resulta más difícil. Las personas con EPOC aprenden a espirar lentamente con los labios fruncidos, lo cual aumenta la presión en la vía aérea, evita la inversión del gradiente de la presión transmural a través de las vías aéreas grandes y, por tanto, evita su colapso. Intercambio de gases El intercambio de gases en el sistema respiratorio se refiere a la difusión de O2 y de CO2 en los pulmones y en los tejidos periféricos. El O2 se transfiere desde el gas alveolar al interior de la sangre capilar pulmonar y, finalmente, se libera a los tejidos, donde se difunde a partir de la sangre capilar sistémica hasta el interior de las células. El CO2 se libera desde los tejidos a la sangre venosa, a la sangre capilar pulmonar y se transfiere al gas alveolar para ser espirado. Leyes de los gases Los mecanismos de intercambio de gases se basan en las propiedades fundamentales de los gases e incluyen su comportamiento en solución. Esta sección revisa estos principios. Ley general de los gases La ley general de los gases (la que se estudia en los cursos de química) afirma que el producto de la presión por el volumen de un gas es igual al número de moles del gas multiplicados por la constante del gas multiplicada por la temperatura. Por tanto, PV=nRT donde P=Presión (mmHg) V=Volumen (l) n=Moles (mol) R=Constante del gas T=Temperatura (K) La única «trampa» en la aplicación de la ley general de los gases a la fisiología respiratoria es conocer que en la fase de gas se emplea TCPS, pero en la fase líquida, se utiliza TEPS. TCPS significa temperatura corporal (37°C o 310K), presión atmosférica ambiental y gas saturado con vapor de agua. Para los gases disueltos en la sangre, se emplea TEPS, que significa temperatura estándar (0°C o 273K), presión estándar (760mmHg) y gas seco. El volumen del gas con TCPS se puede convertir en volumen con TEPS al multiplicar el volumen (con TCPS) por 273/310×Pb -- 47/760 (donde Pb es la presión barométrica y 47mmHg es la presión del vapor de agua a 37°C). Ley de Boyle La ley de Boyle es un caso especial dentro de la ley general de los gases. Afirma que, a una temperatura determinada, el producto de la presión por el volumen de un gas es constante. Por tanto, P1V1=P2V2 La aplicación de la ley de Boyle al sistema respiratorio se ha tratado en un ejemplo anterior. Hay que recordar lo que ocurre durante la inspiración cuando el diafragma se contrae para aumentar el volumen pulmonar: para mantener el producto de la presión por el volumen constante, la presión del gas en los pulmones tiene que disminuir cuando aumenta el volumen pulmonar. Esta disminución de la presión del gas es la fuerza impulsora para el flujo aéreo en los pulmones. Ley de Dalton de las presiones parciales La ley de Dalton de las presiones parciales se aplica con frecuencia en fisiología respiratoria. Afirma que la presión parcial de un gas en una mezcla de gases es la presión que ejercería el gas si ocupara el volumen total de la mezcla. 5---Fisiología respiratoria 203 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Por tanto, la presión parcial es la presión total multiplicada por la fracción de concentración del gas seco, o Px=Pb×F La relación para el gas humidificado está determinada por la corrección de la presión barométrica según la presión del vapor de agua. De esta forma, Px=(Pb−Ph2o)×F donde Px=Presión parcial del gas (mmHg) Pb=Presión barométrica (mmHg) Ph2o=Presión del vapor de agua 37°C (47mmHg) F=Fracción de concentración del gas (no unidades) Por tanto, a partir de la ley de Dalton y de las presiones parciales se deduce que la suma de las presiones parciales de todos los gases en una mezcla es igual a la presión total de la mezcla. Por tanto, la presión barométrica (Pb) es la suma de las presiones parciales de O2, CO2, N2 y H2O. Los porcentajes de los gases en el aire seco a una presión barométrica de 760mmHg (con los valores correspondientes de F entre paréntesis) son los siguientes: O2, 21% (0,21); N2, 79% (0,79) y CO2, 0% (0). El aire en las vías aéreas está humidificado, por lo que la presión del vapor de agua es obligatoria e igual a 47mmHg a 37°C. PROBLEMA. Calcular la presión parcial de O2 (Po2) en aire seco inspirado y comparar este valor con la Po2 en aire traqueal humidificado a 37°C. La fracción de concentración de O2 en aire inspirado es 0,21. SOLUCIÓN. La Po2 del aire seco inspirado se calcula multiplicando la presión de la mezcla de gases (es decir, la presión barométrica) por la fracción de concentración de O2, que es 0,21. Por tanto, en aire seco inspirado, Po2=760mmHg×0,21 =160mmHg La Po2 del aire traqueal humidificado es inferior a la Po2 del aire seco inspirado porque la presión total debe corregirse para la presión del vapor de agua (o 47mmHg a 37°C). Por tanto, en el aire traqueal humidificado, Po2=(760mmHg−47mmHg)×0,21 =713mmHg×0,21 =150mmHg Ley de Henry de las concentraciones de los gases disueltos La ley de Henry se refiere a los gases disueltos en solución (p. ej., en la sangre). Tanto el O2 como el CO2 están disueltos en la sangre (una solución) en camino hacia y desde los pulmones. Para calcular la concentración de un gas en la fase líquida, la presión parcial en la fase de gas se convierte primero en la presión parcial en la fase líquida; después, ésta se convierte en la concentración en el líquido. Una cuestión importante, aunque no necesariamente evidente, es que en equilibrio, la presión parcial de un gas en la fase líquida es igual a la presión parcial en la fase de gas. Por tanto, si el aire alveolar tiene una Po2 de 100mmHg, entonces la sangre capilar que se equilibra con el aire alveolar también tendrá una Po2 de 100mmHg. La ley de Henry se utiliza para convertir la presión parcial del gas en la fase líquida en la concentración del gas en la fase líquida (p. ej., en la sangre). La concentración de un gas en solución se expresa como porcentaje de volumen (%) o volumen de gas por 100ml de sangre (ml gas/100ml sangre). Por tanto, para la sangre, Cx=Px×Solubilidad donde Cx=Concentración de gas disuelto (ml de gas/100ml de sangre) Px=Presión parcial del gas (mmHg) Solubilidad=Solubilidad del gas en sangre (ml de gas/100ml de sangre) Finalmente, es importante comprender que la concentración de un gas en solución se aplica sólo al gas disuelto que está libre en la solución (calculado con la ley de Henry) y no incluye ningún gas que se encuentra en forma unida (p. ej., el gas unido a la hemoglobina o a las proteínas plasmáticas). PROBLEMA. Si la Po2 de la sangre arterial es 100mmHg, ¿cuál es la concentración del O2 disuelto en la sangre, si la solubilidad del O2 es 0,003ml de O2/100ml de sangre/ mmHg? SOLUCIÓN. Para calcular la concentración del O2 disuelto en la sangre arterial, simplemente hay que multiplicar la Po2 por la solubilidad de la siguiente forma: \[O2\]=PO2×Solubilidad =100mmHg×0,003ml O2/100ml de sangre/mmHg =0,3ml/100ml de sangre Difusión de gases (ley de Fick) La transferencia de gases a través de las membranas celulares o las paredes capilares ocurre mediante difusión simple, que se trata en el capítulo 1. Para los gases, la tasa de transferencia mediante difusión (V˙x) es directamente proporcional a la fuerza impulsora, un coeficiente de difusión y el área de superficie disponible para la difusión; y es inversamente proporcional al espesor de la membrana. Por tanto, V˙x=\_\_\_\_\_\_ DA∆P ∆x donde V˙x=Volumen de gas transferido por unidad de tiempo D=Coeficiente de difusión del gas 204 Fisiología A=Área de superficie ∆P=Diferencia de presión parcial del gas ∆x=Espesor de la membrana Existen dos puntos especiales respecto a la difusión de los gases. (1) La fuerza de impulso para la difusión de un gas es la diferencia de presión parcial del gas (∆P) a través de la membrana, no la diferencia de concentración. Por tanto, si la Po2 del aire alveolar es 100mmHg y la Po2 de la sangre venosa mezclada que entra en el capilar pulmonar es de 40mmHg, entonces la diferencia de la presión parcial o fuerza de impulso del O2 a través de la barrera capilar alveolar/pulmonar es 60mmHg (100mmHg -- 40mmHg). (2) El coeficiente de difusión de un gas (D) es una combinación del coeficiente de difusión habitual, que depende del peso molecular (v. cap. 1) y de la solubilidad del gas. El coeficiente de difusión del gas tiene enormes implicaciones para su tasa de difusión, tal como ilustran las diferencias en las tasas de difusión del CO2 y del O2. El coeficiente de difusión del CO2 es aproximadamente 20 veces más elevado que el coeficiente de difusión del O2; como consecuencia, para una diferencia de presión parcial determinada, el CO2 se difunde aproximadamente 20 veces más deprisa que el O2. Varios de los términos de la ecuación anterior de la difusión se pueden combinar en un término único denominado la capacidad de difusión pulmonar (Dl). La Dl combina el coeficiente de difusión del gas, el área de superficie de la membrana (A) y el espesor de la membrana (∆x). La Dl también tiene en cuenta el tiempo necesario para que el gas se combine con las proteínas en la sangre capilar pulmonar (p. ej., la unión del O2 con la hemoglobina en los hematíes). La Dl se puede determinar con monóxido de carbono (CO) porque el CO que se transfiere a través de la barrera capilar alveolar/pulmonar está limitado exclusivamente por el proceso de difusión. La Dlco se determina con el método de la respiración única, en el que una persona respira una mezcla de gases con una concentración muy baja de CO; la tasa de desaparición del CO de la mezcla de gases es proporcional a la Dl. En diversas enfermedades, la Dl cambia de forma predecible. En el enfisema, por ejemplo, la Dl disminuye porque la destrucción de los alvéolos da lugar a una disminución del área de la superficie de intercambio gaseoso. En la fibrosis o en el edema pulmonar, la Dl disminuye porque aumenta la distancia de difusión (espesor de la membrana o volumen intersticial). En la anemia, la Dl disminuye porque la cantidad de hemoglobina existente en los glóbulos rojos está reducida (hay que recordar que la Dl incluye el componente de intercambio de O2 unido a las proteínas). Durante el ejercicio, la Dl aumenta porque hay capilares adicionales que están perfundidos con sangre, lo cual incrementa el área de la superficie del intercambio de gases. Formas de los gases en solución En el aire alveolar, existe una forma de gas, que se expresa como una presión parcial. Sin embargo, en las soluciones como la sangre, los gases se transportan de otras formas. En solución, el gas puede estar disuelto, unido a las proteínas o químicamente modificado. Es importante comprender que la concentración de gas total en solución es la suma del gas disuelto más el gas unido más el gas químicamente modificado. ♦ Gas disuelto. Todos los gases en solución son transportados, en cierta medida, en la forma disuelta. La ley de Henry proporciona la relación entre la presión parcial de un gas y su concentración en solución. Para una presión parcial determinada, cuanto mayor es la solubilidad del gas, mayor es la concentración del gas en solución. En la solución, sólo las moléculas del gas disuelto contribuyen a la presión parcial. En otras palabras, el gas unido y el gas químicamente modificado no contribuyen a la presión parcial. Entre los gases que se encuentran en el aire inspirado, el nitrógeno (N2) es el único que se transporta sólo en forma disuelta y que nunca está unido o químicamente modificado. Debido a esta característica, el N2 se utiliza para ciertas determinaciones en fisiología respiratoria. ♦ Gas unido. El O2, el CO2 y el monóxido de carbono (CO) están unidos a las proteínas en la sangre. El O2 y el CO se unen a la hemoglobina en el interior de los hematíes y así se transportan. El CO2 se une a la hemoglobina en los hematíes y a las proteínas plasmáticas. ♦ Gas químicamente modificado. El ejemplo más importante de un gas químicamente modificado es la conversión de CO2 en bicarbonato (HCO3 −) en los hematíes por la acción de la anhidrasa carbónica. De hecho, la mayor parte del CO2 es transportada en la sangre en forma de HCO3 - , en lugar de en forma de CO2 disuelto o como CO2 unido. Visión global. Transporte de gases en los pulmones En la figura 5-16 se pueden observar un alvéolo y un capilar pulmonar cercano. El esquema muestra que los capilares pulmonares están perfundidos con sangre procedente del corazón derecho (el equivalente a la sangre venosa mezclada). El intercambio de gases ocurre después entre el gas alveolar y el capilar pulmonar: el O2 se difunde desde el gas alveolar al interior de la sangre capilar pulmonar, y el CO2 se difunde desde la sangre capilar pulmonar al interior del gas alveolar. La sangre que abandona el capilar pulmonar llega al corazón izquierdo y se convierte en sangre arterial sistémica. La figura 5-17 se ha elaborado sobre este esquema y los valores de Po2 y de Pco2 se incluyen en diversos lugares: aire inspirado seco, aire traqueal humidificado, aire alveolar, sangre venosa mezclada que entra en el capilar pulmonar y sangre arterial sistémica que abandona el capilar pulmonar. ♦ En el aire seco inspirado, la Po2 es de aproximadamente 160mmHg, que se calcula multiplicando la presión Figura 5-16 Representación esquemática de un alvéolo y un capilar pulmonar cercano. La sangre venosa mezclada entra en el capilar pulmonar; se añade O2 a la sangre capilar pulmonar y se retira el CO2 de la misma mediante transferencia a través de la barrera alveolar/capilar. La sangre arterial sistémica abandona el capilar pulmonar. Figura 5-17 Valores de Po2 y de Pco2 en aire inspirado seco, aire traqueal humidificado, aire alveolar y sangre capilar pulmonar. Las cifras son las presiones parciales en mmHg. La PaO2 es ligeramente inferior a 100mmHg debido al cortocircuito fisiológico. 206 Fisiología barométrica por la fracción de concentración de O2, 21% (760mmHg×0,21=160mmHg). Con una finalidad práctica, no existe CO2 en el aire seco inspirado y la Pco2 es 0. ♦ En el aire traqueal humidificado, se considera que el aire está completamente saturado con vapor de agua. A 37°C, la Ph2o es 47mmHg. Por tanto, en comparación con el aire seco inspirado, la Po2 está reducida, puesto que el O2 está «diluido» por el vapor de agua. De nuevo, hay que recordar que las presiones parciales en el aire inspirado se calculan corrigiendo la presión barométrica por la presión del vapor de agua y multiplicando después por la fracción de concentración del gas. Por tanto, la Po2 del aire traqueal humidificado es 150mmHg (\[760mmHg -- 47mmHg\]×0,21=150mmHg). Puesto que no existe CO2 en el aire inspirado, la Pco2 del aire traqueal humidificado también es 0. El aire humidificado entra en los alvéolos, donde tiene lugar el intercambio gaseoso. ♦ En el aire alveolar, los valores de la Po2 y de la Pco2 cambian de forma sustancial cuando se comparan con el aire inspirado. (Las anotaciones para las presiones parciales en el aire alveolar emplean el modificador «A»; v. tabla 5-1.) La PaO2 es 100mmHg, que es menor que en el aire inspirado y la PaCO2 es 40mmHg, que es mayor que en el aire inspirado. Estos cambios ocurren porque el O2 abandona el aire alveolar y se añade a la sangre capilar pulmonar, y el CO2 abandona la sangre capilar pulmonar y entra en el aire alveolar. Normalmente, las cantidades de O2 y de CO2 transferidas entre los alvéolos y la sangre capilar pulmonar corresponden a las necesidades del organismo. De esta forma, diariamente la transferencia de O2 desde el aire alveolar es igual al consumo de O2 por parte del organismo, y la transferencia de CO2 hacia el aire alveolar es igual a la producción de CO2. ♦ La sangre que entra en los capilares pulmonares es fundamentalmente sangre venosa mezclada. Esta sangre regresa desde los tejidos a través de las venas, hacia el corazón derecho. Después es bombeada desde el ventrículo derecho al interior de la arteria pulmonar, que la libera a los capilares pulmonares. La composición de esta sangre venosa mezclada refleja la actividad metabólica de los tejidos: la Po2 es relativamente baja (40mmHg) porque los tejidos han captado y consumido el O2; la Pco2 es relativamente elevada (46mmHg) porque los tejidos han producido CO2 y lo han vertido a la sangre venosa. ♦ La sangre que abandona los capilares pulmonares ha sido arterializada (oxigenada) y se convertirá en sangre arterial sistémica. (Las anotaciones para la sangre arterial sistémica emplean el modificador «a»; v. tabla 5-1.) La arterialización se realiza mediante el intercambio de O2 y CO2 entre el aire alveolar y la sangre capilar pulmonar. La difusión de los gases a través de la barrera alveolar/capilar es rápida, por lo que la sangre que abandona los capilares pulmonares normalmente tiene igual Po2 y Pco2 que el aire alveolar (es decir, existe un equilibrio completo). Por tanto, la PaO2 es 100mmHg y la PaCO2 , 40mmHg, y de la misma forma, la PaO2 es 100mmHg y la PaCO2 , de 40mmHg. Esta sangre arterializada regresará al corazón izquierdo, será bombeada al exterior del ventrículo izquierdo hacia la aorta y empezará de nuevo el ciclo. Existe una pequeña discrepancia entre el aire alveolar y la sangre arterial sistémica: la sangre arterial sistémica tiene una Po2 ligeramente menor que el aire alveolar. Esta discrepancia es el resultado de un cortocircuito fisiológico, que describe la pequeña fracción del flujo de sangre pulmonar que no pasa por los alvéolos y, por tanto, no está arterializada. El cortocircuito fisiológico tiene dos fuentes: el flujo sanguíneo bronquial y una pequeña porción de sangre venosa coronaria que drena directamente al interior del ventrículo izquierdo en lugar de ir a los pulmones para ser oxigenada. El cortocircuito fisiológico está aumentado en distintas patologías (que se denominan defecto de ventilación/perfusión). Cuando el tamaño del cortocircuito aumenta, no se produce adecuadamente el equilibrio entre el gas alveolar y la sangre capilar pulmonar, y la sangre capilar pulmonar no está completamente arterializada. La diferencia A -- a, que se discutirá más adelante en este capítulo, expresa la diferencia de la Po2 entre el gas alveolar («A») y la sangre arterial sistémica («a»). Si el cortocircuito es pequeño (es decir, es fisiológico), entonces la diferencia A -- a es pequeña o despreciable; si el cortocircuito es mayor de lo normal, entonces la diferencia A -- a aumenta hasta el punto que no se consigue producir el equilibrio. El esquema de la figura 5-17 destaca los cambios de la Po2 y de la Pco2 que ocurren en los pulmones. No se muestra en la figura, pero de las diferencias entre la sangre arterial sistémica y la sangre venosa mezclada, se derivan procesos de intercambio en los tejidos sistémicos. La sangre arterial sistémica se libera a los tejidos, donde el O2 se difunde desde los capilares sistémicos al interior de los tejidos y se consume, produciendo CO2, que se difunde desde los tejidos al interior de los capilares. Este intercambio gaseoso en los tejidos convierte la sangre arterial sistémica en sangre venosa mezclada, que después abandona los capilares, regresa al corazón derecho y se conduce a los pulmones. Intercambio de gases limitado por la difusión y por la perfusión El intercambio de gases a través de la barrera capilar alveolar/pulmonar se describe como limitado por la difusión o por la perfusión. ♦ El intercambio de gases limitado por la difusión significa que la cantidad total de gas transportado a través de la barrera alveolar-capilar está limitada por el proceso de difusión. En estos casos, mientras se mantiene 5---Fisiología respiratoria 207 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. el gradiente de presión parcial del gas, la difusión continuará a lo largo de la longitud del capilar. ♦ El intercambio de gases limitado por la perfusión significa que la cantidad total de gas transportado a través de la barrera alveolar/capilar está limitada por el flujo sanguíneo (es decir, la perfusión) a través de los capilares pulmonares. En el intercambio limitado por la perfusión, el gradiente de presión parcial no se mantiene, y en este caso, la única forma de aumentar la cantidad de gas transportado es mediante el incremento del flujo sanguíneo. Se emplean ejemplos de gases transferidos mediante intercambio limitado por la difusión y limitado por la perfusión para caracterizar estos procesos (fig. 5-18). En la figura, la línea roja continua muestra la presión parcial de un gas en la sangre capilar pulmonar (Pa) como una función de la longitud a lo largo del capilar. La línea verde punteada a través de la parte superior de cada cuadro proporciona la presión parcial del gas en el aire alveolar (Pa), que es constante. El área rosa sombreada proporciona el gradiente de presión parcial entre el gas alveolar y la sangre capilar pulmonar a lo largo de la longitud del capilar. El gradiente de la presión parcial es la fuerza impulsora para la difusión del gas, por lo que cuanto mayor sea el área sombreada, mayor es el gradiente y mayor es la transferencia neta de gas. Se muestran dos ejemplos: el CO es un gas limitado por la difusión (v. fig. 5-18A) y el óxido nitroso (N2O) es un gas limitado por la perfusión (v. fig. 5-18B). El CO o el N2O se difunden fuera del gas alveolar hacia el interior del capilar pulmonar, y como resultado, la Pa del gas aumenta a lo largo de la longitud del capilar y se aproxima o alcanza el valor de la Pa. Si el valor de la Pa alcanza el valor de la Pa, entonces se ha alcanzado el equilibrio completo. Entonces, ya deja de existir una fuerza impulsora para la difusión (es decir, ya no existe un gradiente de presión parcial) y si el flujo sanguíneo no aumenta (es decir, entra más sangre en el capilar pulmonar), el intercambio de gases se interrumpirá. Intercambio de gases limitado por la difusión El intercambio de gases limitado por la difusión se ilustra mediante el transporte de CO a través de la barrera capilar alveolar/pulmonar (v. fig. 5-18A) y mediante el transporte de O2 durante el ejercicio extremo y en patologías como el enfisema y la fibrosis. La presión parcial de CO en el aire alveolar (PaCO), que se muestra como una línea discontinua, es constante a lo largo de la longitud del capilar. Al principio del capilar pulmonar, no existe CO en la sangre, puesto que no se ha transferido desde el aire alveolar, y la presión parcial de CO en la sangre capilar (PaCO) es 0. Por tanto, al principio del Figura 5-18 Intercambio de gases limitado por la difusión (A) y por la perfusión (B) entre el aire alveolar y la sangre capilar pulmonar. La presión parcial del gas en la sangre capilar pulmonar se muestra como una función de la longitud capilar mediante la línea roja continua. La línea verde discontinua en la parte superior de la figura muestra la presión parcial del gas en el aire alveolar (Pa). La zona sombreada de color rosa representa el tamaño de la diferencia de la presión parcial entre el aire alveolar y la sangre capilar pulmonar, que es la fuerza de impulso para la difusión del gas. CO, monóxido de carbono; N2O, óxido nitroso. 208 Fisiología capilar existe el mayor gradiente de presión parcial para el CO y la mayor fuerza impulsora para la difusión del CO desde el aire alveolar al interior de la sangre. Moviéndose a lo largo de la longitud del capilar pulmonar, mientras el CO se difunde al interior de la sangre capilar pulmonar, la PaCO empieza a aumentar. Como resultado de ello, el gradiente de la presión parcial para la difusión disminuye. Sin embargo, la PaCO aumenta sólo ligeramente a lo largo de la longitud del capilar porque en la sangre capilar, el CO está fuertemente unido a la hemoglobina en el interior de los hematíes. En este caso, no se encuentra libre en solución y por tanto, no está produciendo una presión parcial. (Hay que recordar que sólo el aire libre disuelto causa una presión parcial.) Por tanto, la unión del CO con la hemoglobina mantiene la concentración libre y la presión parcial de CO bajas, manteniendo de esta forma el gradiente para la difusión a lo largo de toda la longitud del capilar. En resumen, la difusión neta de CO al interior del capilar pulmonar depende de la magnitud del gradiente de presión parcial, que se mantiene porque el CO está unido a la hemoglobina en la sangre capilar. Por tanto, el CO no se equilibra al final del capilar. De hecho, si el capilar fuera más largo, la difusión neta continuaría de forma indefinida o hasta que se alcanzara el equilibrio. Intercambio de gases limitado por la perfusión El intercambio de gases limitado por la perfusión se ilustra mediante el N2O (v. fig. 5-18B), pero también por el O2 (en condiciones normales) y el CO2. El N2O se emplea como el ejemplo clásico de intercambio limitado por la perfusión porque no está unido