Fisiología del Sistema Respiratorio PDF

Fisiología del Sistema Respiratorio Introducción al sistema respiratorio En una mezcla de gases, la presión parcial de gas en fase depende de su fracción molar En fase acuosa, la presión parcial de un gas depende de su concentración y solubilidad La función principal es realiza...

Fisiología del Sistema Respiratorio Introducción al sistema respiratorio En una mezcla de gases, la presión parcial de gas en fase depende de su fracción molar En fase acuosa, la presión parcial de un gas depende de su concentración y solubilidad La función principal es realizar un intercambio eficiente de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) entre los tejidos y la atmósfera. Este sistema incluye: o Ventilación pulmonar o Difusión de gases entre los alveolos y la sangre o Transporte de gases en la sangre hacia y desde los tejidos o Regulación de la ventilación para mantener el equilibrio ácido-base Considerando En medio externo El sistema respiratorio tiene como función principal realizar un intercambio eficiente de O2 y CO2 entre tejidos y la atmósfera, para permitir un mayor intercambio de gases El objetivo principal de la respiración es proporcionar oxígeno a los tejidos y retirar el CO2 del organismo. Fenómenos del sistema respiratorio: ventilación, transporte, regulación, difusión. Cavidad nasal → Acondicionamiento aéreo o Calentamiento del aire ▪ El aire frío es altamente irritativo para las vías respiratorias  ▪Si el intercambio de gases ocurriera en un ambiente frio, la solubilidad de los gases sería muy elevada. o Humidificación ▪ Evita que los alveolos se sequen o Filtrado ▪ Evita que partículas > 6micras entren a la vía respiratoria El pulmón derecho tiene 3 lóbulos: superior, medio e inferior El pulmón derecho tiene 2 lóbulos: superior e inferior Organización del sistema ventilatorio Vías de conducción Las vías conductoras comienzan en la tráquea y se ramifican de manera dicotómica para ampliar enormemente el área de superficie de los pulmones NO ocurre intercambio gaseoso por esta vía, solo sirve como “vía de paso” para el aire El espacio muerto anatómico se refiere a la cantidad de aire que se encuentra en las vías de conducción, la cual NO participa en el intercambio gaseoso o Espacio muerto alveolar o Espacio muerto fisiológico Compuesto por: o Tráquea ▪ Comienza por aquí ▪ Superficie cartilaginosa que tiene aprox 15 a 18 cartílagos en forma de herradura ▪ Su característica cartilaginosa es importante para que no colapse o Bronquios  ▪ Aquí ocurre la primera división dicotómica: bronquio derecho e izquierdo ▪ El derecho tiene mayor diámetro, por lo que recibe más flujo ▪ Llegan aprox hasta la división 10 ▪ Van perdiendo progresivamente su cantidad de cartílago o Bronquiolos ▪ NO tienen cartílago ▪ Se va dividiendo progresivamente ▪ El área transversal total va aumentando exponencialmente a medida que aumentan las divisiones ▪ Aprox 23 divisiones en total o Bronquiolos terminales Vías de respiración Vía por la que ocurre el intercambio gaseoso Compuesta por: o Bronquiolos respiratorios o Conductos alveolares o Sacos alveolares o Alvéolos Todas las unidades respiratorias provenientes de un bronquiolo terminal, es decir, los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares, sacos alveolares y alveolos, junto con los capilares y los vasos linfáticos constituyen una unidad respiratoria terminal En estructuras como la tráquea y los bronquios (via conductora), el área transversal total es pequeña porque son tubos grandes pero pocos. Aquí la velocidad de flujo es alta A medida que los bronquios se ramifican en bronquiolos y finalmente alveolos, el área transversal total aumenta drásticamente debido a las múltiples ramificaciones. Esto hace que la velocidad del flujo disminuya Esto sucede especialmente en los alveolos, donde el flujo es mucho más lento para permitir el intercambio gaseoso eficiente (O2 y CO2) entre el aire y la sangre Alvéolos Unidad fundamental del intercambio gaseoso Sacos alveolares: intercambio gaseoso A partir de la división 17 La densidad de alveolos aumenta gradualmente al hacerlo el número de divisiones Principales células que recubren a los alveolos: o Neumocito tipo I ▪ Células planas ▪ Constituyen el 95% de la superficie alveolar o Neumocito tipo II ▪ Células cuadradas ▪ Producen el surfactante pulmonar ▪ Surfactante pulmonar reduce la tensión superficial Cavidad pleural Actúa como una zona con líquido lubricante que permite los movimientos pulmonares dentro de la cavidad torácica La pleura tiene dos capas que constituyen su cavidad: o Pleura parietal ▪ Membrana que recubre la cavidad torácica que contiene los pulmones o Pleura visceral ▪ Membrana que reviste la superficie pulmonar Líquido pleural es más dinámico que estático Circulación pulmonar El pulmón recibe su vascularización de dos orígenes: o Las arterias pulmonares ▪ Tienen su origen en el ventrículo derecho ▪ Llevan la sangre totalmente desoxigenada a los pulmones para su oxigenación ▪ Posteriormente las venas pulmonares llevan esta sangre oxigenada hacia la aurícula izquierda, que la expulsa hacia la circulación sistémica o Las arterias bronquiales ▪ Aportan flujo sanguíneo ▪ Encargadas de otorgar este flujo sanguíneo principalmente hacia las vias de conducción pulmonar ▪ Son ramas de la aorta, por lo que lleva sangre totalmente oxigenada ▪ Sin embargo, después de proporcionar sangre oxigenada a las vías de conducción, al no tener otra vía para redirigir esta sangre desoxigenada, esta llega a las venas pulmonares, en un fenómeno llamado Shunt o flujo de derivación ▪ Es exactamente este flujo de derivación que ninguna persona satura al 100%, siempre hay una pequeña cantidad de sangre desoxigenada  Hay un porcentaje de sangre venosa que no se oxigena directamente (shunt fisiológico pulmonar) Tensión superficial alveolar La tensión superficial es una medida de la fuerza que actúa para mantener unidas las moléculas de la superficie de un líquido en una interfase aire-líquido Es responsable de la mayor parte del retroceso elástico de los pulmones normales Si no fuera por el surfactante pulmonar (que reduce la tensión superficial), el retroceso elástico total sería aún mayor y sería mucho más difícil insuflar los pulmones, es decir, los pulmones colapsarían Entonces, el surfactante pulmonar disminuye la tensión superficial y evita el colapso pulmonar El surfactante está principalmente constituido de lípidos y proteínas, principalmente el lípido Dipalmitoil Fosfatidil Colina (62%) Funciones principales del surfactante: o Reduce la tensión superficial, aumenta la distensibilidad, lo que hace más sencillo insuflar los pulmones o Al reducir la tensión superficial, el surfactante minimiza la acumulación de líquido en el alveolo o Contribuye a mantener el tamaño de los alveolos relativamente uniforme durante el ciclo respiratorio Ventilación pulmonar Ley de Boyle o La presión de un gas es inversamente proporcional al volumen del frasco que lo contiene, es decir: ▪ A mayor volumen, menor presión ▪ A menor volumen, mayor presión  Las diferencias de presión determinan el movimiento de los gases por gradiente La inspiración requiere un aumento en la cavidad torácica y la expiración una disminución: cambios de presión Las diferencias de presión entre el pulmón y la atmósfera determinan el movimiento de gases Cambios de presión: Inspiración: La presión alveolar (Palv) disminuye, debido al aumento del volumen torácico, haciéndola menor que la presión atmosférica (Patm) Espiración: La Palv aumenta, haciéndose mayor que la Patm, expulsando el aire hacia el exterior Mecánica de la respiración Los pulmones y la pared torácica son estructuras elásticas El pulmón colapsa sobre sí mismo si no existe aire que lo mantenga inflado La interacción entre los pulmones y la pared torácica no se produce por una unión directa, sino a través del espacio intrapleural La tensión en el “espacio” entre los pulmones y la pared torácica (tensión intrapleural) es subatmosférica El movimiento de los pulmones y la pared torácica van en sentidos contrarios o En el retroceso elástico, los pulmones tienden al colapso, por lo que se mueven “hacia adentro” o La pared torácica tiene el movimiento opuesto, va “hacia afuera”  o Y es este movimiento el que genera una presión negativa en el espacio pleural (succión de líquido) La presión intrapleural es negativa La inspiración (activa) requiere un aumento en la cavidad torácica y la expiración (pasiva) una disminución o Inspiración: Aumento de la presión pleural (es negativa) causa una expansión pasiva de los pulmones, lo que genera una diferencial de presión y causa la entrada de aire o La expiración no forzada es debido a las propiedades elásticas de los músculos que causan la inspiración Músculos de la respiración Inspiración es un proceso activo Los músculos inspiratorios expanden el tórax, aumentando el retroceso elástico del pulmón y haciendo que la presión intrapleural sea más negativa Los dos músculos inspiratorios principales son el diafragma y los músculos intercostales. Principalmente el diafragma al aumentar el diámetro rostro-caudal de la cavidad torácica al contraerse En la inspiración se contrae el diafragma y se desplaza hacia abajo (1 cm durante la ventilación tranquila y hasta 7 cm con la inspiración profunda Intercostales externos son inspiratorios Durante una inspiración forzada también entran en juego los músculos accesorios Músculos espiratorios La espiración tranquila normalmente es pasiva, y se consigue simplemente por la relajación de los músculos de la inspiración No hay músculos espiratorios principales Intercostales internos son espiratorios Compliance pulmonar Compliance es la capacidad de los pulmones de cambiar su volumen en respuesta a cambios en presión transpulmonar (la diferencia entre la presión alveolar y la presión pleural) Un compliance alto significa que los pulmones se expanden fácilmente con pequeños cambios de presión, mientras que un compliance bajo indica que se necesita más presión para expandir los pulmones Factores que afectan el compliance pulmonar: o Elasticidad del tejido pulmonar o Tensión superficial alveolar o Volumen pulmonar ▪ Compliance no es constante, aumenta el volúmenes pulmonares moderados y disminuye en volúmenes muy bajos o muy altos Colapso pulmonar Una gota de agua tiende a colapsar sobre sí misma, y el alveolo está recubierto por una fina capa de agua Para evitar que el alveolo colapse se debe ejercer una fuerza opuesta a la fuerza del agua Factores que evitan el colapso: o Surfactante o Presión intrapleural Factores que favorecen el colapso: o Elasticidad pulmonar o Tensión superficial o Viscosidad del tejido pulmonar El surfactante reduce la tensión al disminuir la densidad de las moléculas de agua en la interfase aire-agua Volúmenes y capacidades pulmonares La cuantificación importante de la función pulmonar se logra por medio del desplazamiento de aire durante la inspiración, la espiración o ambas funciones Principales volúmenes: o Volumen Tidal (VT) ▪ La cantidad de aire que entra y sale de los pulmones con cada respiración o Volumen de reserva inspiratorio (VRI) ▪ El aire inspirado con el esfuerzo inspiratorio máximo o Volumen de reserva espiratorio (CRE) ▪ El aire espirado con el esfuerzo espiratorio máximo o Volumen residual (VR) ▪ El aire que queda en los pulmones después de un esfuerzo inspiratorio máximo Capacidades pulmonares principales: o Capacidad pulmonar vital → VT + VRI + VR ▪ Expresa la cantidad de aire espirado en un pulmón totalmente inflado o Capacidad inspiratoria → VRI + VT ▪ Cantidad máxima de aire inspirado desde el final de la espiración o Capacidad residual funcional → VRI + VR ▪ Volumen de aire que permanece en los pulmones después de espirar en una respiración normal o Capacidad pulmonar total → VT + VRI + VRE + VR Espacio muerto  Representa el aire que no participa en el intercambio gaseoso Es el volumen de aire que queda en las vías respiratorias o zonas pulmonares que no contribuye al intercambio de oxígeno y dióxido de carbono con la sangre Este aire no llega a los alveolos funcionales El espacio muerto disminuye el intercambio de gases en el alveolo, pero este método solo mide el espacio muerto anatómico El espacio muerto fisiológico incluye un componente anatómico y uno funcional La ventilación alveolar depende de la relación entre volumen tidal, frecuencia respiratoria y espacio muerto La tasa de ventilación alveolar se modifica durante ejercicio mediante adaptaciones en volumen tidal y en frecuencia respiratoria Difusión Difusión de oxígeno desde los alvéolos hacia la sangre pulmonar y el paso de dióxido de carbono en dirección opuesta Todos los gases en fisiología respiratoria son moléculas simples que se mueven libremente entre sí (difusión) Para que se produzca la difusión debe haber una fuente de energía, la cual procede del movimiento cinético de las propias partículas Presión parcial = presión total x concentración gas Presión parcial = concentración del gas disuelto / coeficiente de solubilidad Solubilidad o Oxígeno → 0.024 o CO2 → 0.57 Coeficiente de difusión de gas o Oxígeno → 1 o CO2 → 20.3 La dirección de difusión de gases entre la sangre y el alveolo depende de las presiones parciales en sangre y en gas  La velocidad de difusión va a depender del coeficiente de difusión y la diferencia de presiones parciales Transporte de gases en el alveolo o Sangre venosa: CO2 >> O2 o Sangre oxigenada: O2 >> CO2 La dirección de difusión de gases entre la sangre y el alveolo depende de las presiones parciales en sangre y en gas La sangre se debe mover para mantener los gradientes En ejercicio hay un aumento en la capacidad de difusión de oxígeno y CO2 dado por: o Dilatación de capilares → aumento de área para difusión o Un mejor match entre la perfusión/ventilación pulmonar Presiones parciales La presión ejercida por cualquier gas en una mezcla de gases Ley de Dalton o En una mezcla de gases, la presión total equivale a la suma de la presión parcial ejercida por cada gas La velocidad de difusión de un gas depende de la presión que este genere por sí solo, es decir, de su presión parcial El aire está compuesto de una mezcla de gases con un porcentaje para cada uno de ellos, y la suma de las presiones parciales de estos gases a nivel del mar nos da un total de 760 mmHg (P atm), la presión parcial se expresa asi → PO2, PCO2, PN2, PH2O, etc. La tasa de ventilación alveolar y la transferencia de O2 y CO2 determinan las presiones parciales en el alveolo Coeficiente de ventilación/perfusión La ventilación y flujo sanguíneo no son homogéneos La ventilación en los alveolos está optimizada para la tasa de perfusión de los capilares pulmonares La vasoconstricción inducida por reducción de la PO2 alveolar contribuye a mantener el cociente V/Q constante o Ventilación (V) / perfusión (Q) Un coeficiente de V/Q bajo identifica un shunt fisiológico (sangre no oxígenada) Un coeficiente de V/Q alto identifica el espacio muerto fisiológico (oxígeno inspirado que no fue pasado a la sangre La gravedad genera diferencias en la perfusión sanguínea del pulmón que afecta el coeficiente V/Q Membrana respiratoria Formada por: o Capa de líquido que recubre al epitelio alveolar o Epitelio alveolar o Membrana basal epitelial  o Espacio intersticial o Membrana basar capilar o Endotelio capilar Este es el camino que deben recorrer los gases desde la sangre hasta los alvéolos para dar el intercambio gaseoso Un mayor grosor de la membrana respiratoria implicaría una dificultad para la difusión Ventilación alveolar y producción de CO2 La ecuación de ventilación alveolar es clave para comprender que la tasa de eliminación de CO2 depende de la tasa de ventilación alveolar Si la tasa de producción de CO2 es constante, entonces la presión alveolar de CO2 depende de la ventilación alveolar A mayor ventilación alveolar, menor presión alveolar de CO2 Transporte de gases Transporte de O2 La sangre transporta oxígeno de dos formas: o 98% unido a hemoglobina o 2% libre La estructura cuaternaria de la hemoglobina determina su afinidad por el oxígeno Cuando se une un numero suficiente de moléculas de O2, se acumula suficiente energía para que las cuatro subunidades de la Hb pasen simultáneamente al estado relajado En el estado relajado, la molécula de Hb tiene una afinidad por el O2 que es 150 veces mayor que en el estado tenso Curva de disociación de la Hb-O2 Relaciona el porcentaje de saturación de la capacidad portadora de oxígeno de la hemoglobina Generalmente, a mayor oxígeno, mayor afinidad de la Hb por el O2 Por ende, a menor oxígeno, menor afinidad Factores que pueden afectar la afinidad son:  o PCO2 o Temperatura corporal o Cantidad de H+ (pH) o 2,3-bifosfoglicerato (2,3-DPG) o Si estos van en aumento, entonces se pierde la afinidad Considerar que los tejidos metabólicamente activos son caliente, tienen grandes cantidades de CO2 y ácidos Efecto Bohr o Las altas concentraciones de CO2 y H+ (del metabolismo del tejido) causan una afinidad disminuida por el O2 o El incremento de ácidos o CO2 disminuye el pH del plasma y disminuye la afinidad de la Hb por O2 Transporte de CO2 La solubilidad de este gas en la sangre es de unas 20 veces mayor a la del oxígeno Su transporte se da principalmente de 3 maneras: o Bicarbonato ▪ Eritrocitos tienen anhidrasa carbónica, mecanismo que ayuda a producir el bicarbonato para ocuparlo como transporte de CO2 o Compuestos carbamino o Disuelto Efecto Haldane o La Hb libera CO2 más fácilmente con incrementos en la [O2] o Ocurre principalmente en los pulmones o Un proceso en el que la oxigenación de la Hb en los pulmones desplaza el CO2. La oxigenación promueve la disociación de H+ desde la Hb, lo cual altera el equilibrio químico hacia la formación de CO2, el cual es liberado desde los eritrocitos Control de la ventilación El mecanismo del control ventilatorio debe realizar dos tareas: o Debe establecer el ritmo automático para la contracción de los músculos respiratorio o Debe ajustar este ritmo para adaptarlo a las necesidades metabólicas cambiantes, condiciones mecánicas variables y diversas conductas no ventilatorias episódicas Neuronas relacionadas con la respiración o Interneuronas o Neuronas premotoras o Neuronas motoras Bulbo raquídeo o Protuberancia y otras regiones del tronco encefálico Actualmente, la mayoría de los neurofisiólogos respiratorios consideran que el GCP respiratorio está situado en el bulbo raquídeo, y que otras localizaciones, entre ellas la protuberancia, únicamente modelan las salidas respiratorias para producir el patrón normal Neuronas que controlan la respiración: o Apneusis inspiratoria o Centro apnéustico  ▪ Forma difusa en la porción caudal de la protuberancia o Centro neumotáxico ▪ Núcleo parabraquial medial y el núcleo de Koller-Fuse o El grupo respiratorio dorsal (GRD) contiene principalmente neuronas inspiratorias ▪ Una de las principales funciones del GRD es la integración de la información sensorial procedente del aparato respiratorio o El grupo respiratorio ventral (GTV) contiene principalmente neuronas inspiratorias y espiratorias ▪ Función eferente ▪ GRV rostral → interneuronas ▪ GRV intermedio → neuronas motoras somáticas y premotoras ▪ GRV caudal → neuronas premotoras inspiratorias Quimiorreceptores El GCP para la respiración es el reloj que marca el ciclado automático de la inspiración y espiración Las entradas al GPC son diversas, las más importantes proceden de los quimiorreceptores Quimiorreceptores periféricos: La disminución de la PO2 arterial es el principal estímulo para los quimiorreceptores periféricos El aumento de la PCO2 y la disminución del pH también estimulan estos receptores La estimulación de estos receptores lleva a unas ventilaciones más profundas y mayor magnitud en la frecuencia respiratoria Células quimiosensibles → Células glómicas → NTS Células sutentacules Las células glómicas pueden responder ante 3 estímulos: hipoxia, hipercapnia y acidosis La vía común para la respuesta a los 3 estímulos es la inhibición de los canales de K+ Quimiorreceptores centrales: Las neuronas que actúan como quimiorreceptores centrales son sensibles principalmente a la hipercapnia arterial, que generalmente se manifiesta como acidosis respiratoria (pH baja y PCO2 sube) Un aumento de la PO2 arterial produce rápidamente un aumento de una magnitud similar de la PCO2 en el LECE y LCR → capacidad de amortiguación menor