Fisiológia Médica de Boron._124444.pdf
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C A P Í T U L O 30 INTERCAMBIO GASEOSO EN LOS PULMONES Walter F. Boron La compleja anatomía del árbol traqueobronquial, la mecánica del Obsérvese que el caudal neto es proporcional a la diferen- aparato respiratorio y los sofisticados mecanismos de transporte cia de las presiones...
C A P Í T U L O 30 INTERCAMBIO GASEOSO EN LOS PULMONES Walter F. Boron La compleja anatomía del árbol traqueobronquial, la mecánica del Obsérvese que el caudal neto es proporcional a la diferen- aparato respiratorio y los sofisticados mecanismos de transporte cia de las presiones parciales, no al cociente. Así, cuando P1 es de O2 y CO2 se combinan para cumplir dos finalidades esenciales: 100 mmHg (o torr) y P2 es 95 mmHg (cociente = 1,05), el caudal la difusión rápida de O2 desde los alvéolos hasta la sangre de los neto es 5 veces mayor que cuando P1 es 2 mmHg y P2 es 1 mmHg capilares pulmonares y el movimiento de CO2 en la dirección con- (cociente = 2). traria. En este capítulo se analizan los principios que rigen estos El término caudal describe el número de moléculas de O2 que fenómenos de difusión y los factores que, en determinadas enfer- se mueven a través de toda el área de la barrera por unidad de medades, pueden limitar el intercambio gaseoso. tiempo (unidades: moles/s). Si se normaliza el caudal por el área de la barrera el resultado es el flujo (unidades: moles/[cm2 × s]). Los fisiólogos respiratorios habitualmente miden el caudal de un DIFUSIÓN DE LOS GASES gas, como el O2, como el volumen de gas (medido a temperatura y presión estándar y seco; v. cuadro 26-3) que se desplaza por cada El caudal de gas a través de una barrera es proporcional unidad de tiempo. V se refiere al volumen, y V es su derivada a la capacidad de difusión y el gradiente de concentración respecto del tiempo (volumen de gas que se desplaza por unidad de (ley de Fick) tiempo), o caudal. La constante de proporcionalidad de la ecuación 30-3 es la capa Aunque al principio los fisiólogos debatieron si el pulmón segrega de cidad de difusión del pulmón, Dl (unidades: ml/[min × mmHg]). forma activa O2 hacia la sangre, actualmente sabemos que los movi- Así, el caudal de gas se transforma en: mientos tanto de O2 como de CO2 a través de la barrera hemato alveolar se producen mediante difusión simple (v. pág. 108). El movimiento aleatorio por sí solo produce un movimiento neto = DL ⋅ (P − P ) Vneto 1 2 (30-4) de moléculas desde áreas de concentración elevada hasta áreas de concentración baja. Aunque la difusión en sí misma no supone Esta ecuación es una versión simplificada de la ley de Fick (v. pág. ningún gasto de energía, el cuerpo debe realizar un trabajo (en 108), que afirma que el caudal neto es proporcional al gradiente de forma de ventilación y circulación) para crear los gradientes de concentración, que aquí se expresa como el gradiente de presión concentración gracias a los cuales difunden el O2 y el CO2. En dis- parcial. tancias cortas la difusión puede ser muy eficaz. La aplicación de la ley de Fick a la difusión de un gas a través de Supóngase que una barrera que es permeable al O2 separa dos la pared alveolar precisa que ampliemos algo nuestro modelo. En compartimentos llenos de aire (fig. 30-1A). Las presiones parciales lugar de ser una barrera sencilla que separa dos compartimentos (v. pág. 593) de O2 a ambos lados son P1 y P2. La probabilidad de llenos de un gas seco, una barrera húmeda recubierta por una pelí- que una molécula de O2 del lado 1 colisione con la barrera y pase cula de agua a un lado separará un volumen lleno de aire húmedo al lado opuesto es proporcional a P1: de un volumen de plasma sanguíneo a 37 °C (v. fig. 30-1B). Ahora podemos examinar de qué manera contribuyen las características Caudal1→2 ∝ P1 (30-1) físicas del gas y la barrera a la Dl. Dos propiedades del gas contribuyen a la Dl, el peso molecular El movimiento unidireccional de O2 en la dirección opuesta, (PM) y la solubilidad en agua. Primero, la movilidad del gas debe del lado 2 al lado 1, es proporcional a la presión parcial de O2 en disminuir a medida que aumenta su peso molecular. De hecho, la el lado 2: ley de Graham afirma que la difusión es inversamente proporcio- nal a la raíz cuadrada del peso molecular. Segundo, la ley de Fick Caudal 2→1 ∝ P2 afirma que el caudal de un gas a través de una barrera húmeda (30-2) es proporcional al gradiente de concentración del gas disuelto en el agua. De acuerdo con la ley de Henry (v. cuadro 26-2), estas El movimiento neto de O2 desde el lado 1 hasta el lado 2 es la concentraciones son proporcionales a las respectivas presiones diferencia entre los dos caudales unidireccionales: parciales y la constante de proporcionalidad es la solubilidad del gas (s). Por tanto, los gases poco solubles (p. ej., N2, He) difunden Caudal neto ∝ (P1 − P2 ) (30-3) mal a través de la pared alveolar. 660 © 2017. Elsevier España, S.L.U. Reservados todos los derechos CAPÍTULO 30 Intercambio gaseoso en los pulmones 661 Figura 30-1 Difusión de un gas a través de una barrera. del viaje son los mismos. Sin embargo, el viaje es mucho más rápido por la pista de mayor pendiente. Por último, una propiedad combinada tanto de la barrera como del gas también contribuye a la Dl, una constante de proporciona- lidad k que describe la interacción del gas con la barrera. Si se sustituye Dl en la ecuación 30-4 por el área, la solubilidad, el grosor, el peso molecular y la constante de proporcionalidad, se obtiene: neto = k A⋅s (P1 − P2 ) V a PM (30-5) DL Las ecuaciones 30-4 y 30-5 son análogas a la ley de Ohm para la electricidad: 1 I = ∆V (30-6) R La corriente eléctrica (I) en la ley de Ohm corresponde al caudal neto); el recíproco de la resistencia (es decir, la conduc- neto de gas (V tancia) corresponde a la capacidad de difusión (Dl), y la diferencia de voltaje (∆V) que impulsa la corriente eléctrica corresponde a la diferencia de presiones (P1 − P2, o ∆P). El flujo total de un gas entre el aire alveolar y la sangre es la © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Figura 30-2 Efecto del grosor de la barrera. suma de múltiples fenómenos de difusión a lo largo de cada uno de los capilares pulmonares durante el ciclo respiratorio Dos propiedades de la barrera contribuyen a la Dl, el área y el La ecuación 30-5 describe la difusión del O2 entre dos comparti- grosor. Primero, el caudal neto de O2 es proporcional al área (A) mentos cuyas propiedades son uniformes tanto en el espacio como de la barrera y describe la posibilidad de que una molécula de O2 en el tiempo. ¿Se aplica esta ecuación a los pulmones? Si asumimos choque contra la barrera. Segundo, el caudal neto es inversamente que el aire alveolar, la barrera hematogaseosa y la sangre de los proporcional al grosor de la barrera (a), incluyendo la capa de agua. capilares pulmonares son uniformes en el espacio y el tiempo, Cuanto más gruesa sea la barrera, menor será el gradiente de pre- entonces la difusión neta de O2 ( V O2 ) desde el aire alveolar hasta la sión parcial de O2 (∆Po2/a) a través de la barrera (fig. 30-2). Una sangre de los capilares pulmonares es: analogía es la pendiente del trayecto que sigue un esquiador desde la cumbre de una montaña hasta su base. Independientemente de O2 = k A⋅s ( PA O2 − Pc O2 ) V que el esquiador siga una pista muy inclinada, para «expertos», o a PM (30-7) una pista poco inclinada, para «principiantes», los puntos finales DL O2 662 SECCIÓN V Sistema respiratorio Figura 30-3 Complicaciones del uso de la ley de Fick. La DlO2 es la capacidad de difusión de O2, la PaO2 es la presión (de un fragmento de pared alveolar a otro). Durante la inspiración, parcial de O2 en el aire alveolar y la Pco2 es el parámetro comparable la expansión del pulmón hace que el área superficial (A) disponible en la sangre de los capilares pulmonares. Aunque la ecuación 30-7 para la difusión aumente y que disminuya el grosor de la barre puede parecer bastante sofisticada, un estudio más detallado ra (a) (fig. 30-3A). Debido a estas diferencias temporales, la DlO2 muestra que la Dl O2, la Pa O2 y la Pco 2 son incluso más com debería ser máxima al final de la inspiración. Sin embargo, incluso plicadas de lo que parecen a primera vista. en un instante en el tiempo, el grosor de la barrera y el área super- ficial de la pared alveolar difieren de unos fragmentos de pared DlO2 De los cinco términos que forman la DlO2, dos varían alveolar a otros. Estas diferencias espaciales existen tanto en repo- tanto en el tiempo (durante el ciclo respiratorio) como en el espacio so como durante el ciclo respiratorio. N30-1 CAPÍTULO 30 Intercambio gaseoso en los pulmones 663 PaO2 Igual que el área y el grosor, la Po2 alveolar varía tanto en principio de Fick (v. pág. 423). La velocidad de la captación de el tiempo como en el espacio (v. fig. 30-3B). En cualquier alvéolo O2 por los pulmones es la diferencia entre la velocidad a la que determinado, la PaO2 es máxima en inspiración (cuando entra en el O2 sale de los pulmones por las venas pulmonares y la velocidad a los pulmones aire rico en O2) y mínima inmediatamente antes del la que el O2 entra en los pulmones por las arterias pulmonares. La inicio de la siguiente inspiración (después de que la perfusión haya velocidad de salida del O2 desde los pulmones es el producto del drenado la máxima cantidad de O2 del alvéolo), tal y como se señala caudal sanguíneo (es decir, el gasto cardíaco, Q ) por el contenido en la página 676. Estas son diferencias temporales. Veremos que, de O2 de la sangre venosa pulmonar, que es prácticamente el mis- cuando una persona está de pie, la PaO2 es máxima cerca del vértice mo que el de la sangre arterial sistémica (CaO2). Recuérdese que el pulmonar y mínima cerca de la base (v. págs. 681-682). Además, «contenido» (v. pág. 650) es la suma del O2 disuelto y el O2 unido a las variaciones mecánicas en la resistencia de las vías respiratorias la hemoglobina (Hb). De manera similar, la velocidad de llegada de de conducción (v. págs. 681-682) y en la distensibilidad de los O2 a los pulmones es el producto del Q por el contenido de O2 alvéolos (v. pág. 597 o págs. 608-610) hacen que la ventilación (y, de la sangre arterial pulmonar, que es el mismo que el de la sangre por tanto, la Po2; v. pág. 610) varía de unos alvéolos a otros. Estas venosa mixta (C vO2 ). Así, la diferencia entre las tasas de llegada de son diferencias espaciales. O2 y la salida de O2 es Pco2 Tal y como se indica más adelante, a medida que la sangre Tasa de captación Tasa de salida Tasa de llegada fluye por el capilar en sentido distal, la Po2 capilar aumenta hasta de O2 por los pulmones de O2 de los pulmones de O2 a los pulmones O2 total ⋅ C vO (30-10) llegar a ser igual a la PaO2 (v. fig. 30-3C). Por tanto, la difusión V = Q ⋅ Ca O2 − Q 2 de O2 es máxima al comienzo del capilar pulmonar y disminuye = ⋅ ( Ca O − C vO ) Q 2 2 gradualmente hasta cero al avanzar a lo largo del capilar. Además, este perfil varía durante el ciclo respiratorio. Para un gasto cardíaco de 5 l/min, un CaO2 de 20 ml de O2/dl Las complicaciones que hemos planteado para la difusión del O2 de sangre y un C vO2 de 15 ml de O2/dl de sangre, la velocidad de también se aplican a la difusión del CO2. De estas complicaciones, captación de O2 por la sangre de los capilares pulmonares es: la más importante es el cambio de la Pco2 con la distancia a lo lar go del capilar pulmonar. ¿Cómo, entonces, podemos utilizar la ley Tasa de captación de O2 Gasto cardíaco Diferencia a − v de contenido de O2 de Fick para comprender la difusión del O2 y del CO2? Es evidente por los pulmones 5.000 ml de sangre ml de O 2 que no podemos insertar un único conjunto de valores fijos para O2 total V = × (20 − 15) la DlO2, la PaO2 y la Pco2 en la ecuación 30-7 y esperar describir el min 100 ml de sangre caudal total de O2 entre todos los alvéolos y sus capilares pulmo- = 250 ml de O2/min nares durante todo el ciclo respiratorio. Sin embargo, la ley de Fick (30-11) sí describe el caudal de gas entre el aire y la sangre para un único Evidentemente, la cantidad de O2 que captan los pulmones debe fragmento de pared alveolar (y la pared del capilar que está apuesta ser la misma independientemente de que hagamos su predicción a ese fragmento de pared alveolar) en un momento único durante mediante la aplicación repetida de la ley de Fick de la difusión el ciclo respiratorio. Para el O2, (v. ecuación 30-9) o de que la midamos mediante el uso del prin- cipio de Fick (v. ecuación 30-10): VO2 Pc O2 = k a APCO ⋅s 2 (PAO2 − Pc O2 ) (30-8) Ley de Fick DLO2 Todos los fragmentos Todos los momentos Principio de Fick de pared alveolar del ciclo respiratorio ∑ ∑ ( DL O (PAO − Pc O2 )) = Q ⋅ (Ca O2 − C vO2 ) Para un fragmento de pared alveolar y en un momento deter- 2 2 (30-12) minado, A y a (y, por tanto, la DlO2) tienen valores bien definidos, igual que la PaO2 y la Pco2. La cantidad total de O2 que fluye des de todos los alvéolos hasta todos los capilares pulmonares durante todo el ciclo respiratorio es simplemente la suma de todos los fenó- El caudal de O2, CO y CO2 entre el aire alveolar menos de difusión individuales, sumados en todos los fragmentos y la sangre depende de la interacción de estos gases de pared alveolar (y los fragmentos apuestos de pared capilar) y en con los eritrocitos todos los momentos del ciclo respiratorio: Hemos tratado el transporte de O2 como si solo estuviera implicada Todos los fragmentos Todos los momentos la difusión del gas a través de una barrera homogénea. De hecho, © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. de pared alveolar del ciclorespiratorio la barrera es una estructura en tres capas N30-2 formada por O2 total = V ∑ ∑ ( DL O (PAO 2 2 − Pc O2 )) (30-9) una célula epitelial alveolar, una célula endotelial capilar y el espacio intersticial interpuesto, que contiene matriz extracelular. La barrera es notable no solo por su impresionante área superficial (de 50 a Aquí, la DlO2, la PaO2 y la Pco2 son los valores «microscópicos» 100 m2) y su delgadez (∼0,6 µm) sino también por su resistencia, correspondientes a un fragmento de pared alveolar, en un momento que deriva principalmente del colágeno de tipo IV de la lámina den- determinado. sa de la membrana basal (a menudo Los cambios de postura probablemente ↑ volumen de sangre de los capilares de pie pulmonares (Vc). PaO2 ↑ PaO2 → ↓ DlCO El O2 reduce la velocidad a la que el CO se combina con la Hb. PaCO2 ↑ PaCO2 → ↑ DlCO El CO2 produce ↑ volumen de sangre de los capilares pulmonares (Vc). N30-10 , gasto cardíaco. DlCO, capacidad de difusión de CO; PaCO2, presión parcial de CO2 en el aire alveolar; PaO2, presión parcial de O2 en el aire alveolar; Q © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. que tiene un contenido de Hb normal. Este valor de la DlCO depen- tener una reducción de la DlCO aun cuando las vías de la difusión en de no solo de la DM (es decir, del componente de «membrana» o el pulmón (es decir, la DM) sean perfectamente normales. Recuérdese de difusión propiamente dicha de la Dl) de la ecuación 30-15, sino que 1/(θ · Vc) tiene una contribución insignificante en la Dl del O2. también de θ × Vc. Vc es el volumen de sangre de los capilares Sin embargo, es la Dl del CO (y no la del O2) la que se utiliza como pulmonares. Para el transporte de CO, DM y θ × Vc son de ∼50 ml índice clínico de la capacidad de difusión. La tabla 30-3 resume de CO/(min × ml de sangre): varios factores que pueden afectar al valor calculado de la DlCO. 1 1 1 1 Tanto para el O2 como para el CO2, el transporte = + = (30-26) DL 50 50 25 normalmente está limitado por la perfusión Captación de O2 La sangre entra en los capilares pulmonares Así, 1/(θ · Vc) tiene una contribución importante a la DlCO final. (fig. 30-10A) con la Po2 de la sangre venosa mixta, habitualmen- Como Vc es proporcional al contenido de Hb de la sangre y como el te 40 mmHg. La Po2 capilar llega al valor de la Po2 alveolar de contenido de la Hb está reducido en la anemia, una persona puede ∼100 mmHg después de haber recorrido aproximadamente un 672 SECCIÓN V Sistema respiratorio tercio del trayecto por el capilar (v. fig. 30-10B, curva negra). Este perfil de la Po2 a lo largo del capilar pulmonar es intermedio entre el del CO de la figura 30-5B (donde el CO no llega a alcanzar el equilibrio de difusión) y el del N2O de la figura 30-6B (donde el N2O alcanza el equilibrio de difusión tras haber recorrido ∼10% del trayecto a lo largo del capilar). El transporte del O2 es similar al del CO porque ambas moléculas se unen a la Hb. ¿Por qué, entonces, el O2 alcanza el equilibrio de difusión, mientras que el CO no lo hace? La captación de O2 difiere de la del CO en tres aspectos impor- tantes. Primero, la Hb que entra en el capilar pulmonar ya está muy precargada con O2. Como la Hb de la sangre venosa mixta está saturada con O2 en ∼75% (v. pág. 650), en comparación con ∼0% para el CO, la capacidad de unión a O2 disponible de la Hb es relativamente baja. Segundo, como la Po2 alveolar es bastante elevada (es decir, ∼100 mmHg), en comparación con
