Capitulo 40 Fisio II PDF - Universidad Católica de Honduras

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE HONDURAS Campus Sagrado Corazón de Jesús Principios físicos del intercambio gaseoso; difusión de oxígeno y dióxido de carbono a través de la membrana respiratoria Después de que los alvéolos se hayan ventilado con aire limpio, la siguiente...

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE HONDURAS Campus Sagrado Corazón de Jesús Principios físicos del intercambio gaseoso; difusión de oxígeno y dióxido de carbono a través de la membrana respiratoria Después de que los alvéolos se hayan ventilado con aire limpio, la siguiente fase de la respiración es la difusión del oxígeno (02) desde los alvéolos hacia la sangre pulmonar y la difusión del dióxido de carbono (C02) en la dirección opuesta, desde la sangre a los alvéolos.  Difusión Neta de un Gas en una Dirección: Base Molecular de la Difusión Gaseosa: Efecto de un Gradiente de Concentración Todos los gases importantes son moléculas Si una cámara de gas o una solución tiene una simples que se mueven por difusión. Para que concentración elevada de un gas particular en se produzca la difusión debe de haber una un extremo de la cámara y una concentración fuente de energía y ésta procede del baja en el otro extremo, se producirá difusión movimiento cinético de las partículas. neta del gas desde la zona de concentración elevada hacia la zona de concentración baja. La razón es evidente: hay muchas más moléculas en el extremo A de la cámara para difundir hacia el extremo B qué moléculas para difundir en la dirección opuesta. Por tanto, las velocidades de difusión en cada una de las dos direcciones son diferentes proporcionalmente, como se muestra por las longitudes de las flechas de la figura. La P2 está producida por múltiples impactos de partículas en movimiento contra una superficie. La P2 de un gas que actúa sobre las superficies de las vías aéreas y de los alvéolos es proporcional a la suma de las fuerzas de los impactos de todas las moléculas de ese gas que chocan contra la superficie en cualquier momento dado. En fisiología se manejan una muestra de gases mezclados como ser: Oxígeno, Nitrógeno y Dióxido de Carbono. La velocidad de difusión de cada uno de estos gases es directamente proporcional a la presión que genera este gas solo, que se denomina presión parcial de ese gas. El aire tiene una composición aproximada del 79% de nitrógeno y el 21 % de oxígeno. La presión total de esta mezcla al nivel del mar es en promedio de 760 mmHg. El 79% de los 760 mmHg está producido por el nitrógeno (600 mmHg) y el 21 % por el 02 (160 mmHg). Los gases disueltos en agua o en los tejidos corporales también ejercen una presión, porque las moléculas de gas disuelto se mueven de manera aleatoria y tienen energía cinética. Además cuando el gas disuelto en el líquido entra en contacto con una superficie, como la membrana de una célula, ejerce su propia presión parcial de la misma manera que un gas en la fase gaseosa. La presión parcial de un gas en una solución está determinada no solo por su concentración, sino también por el coeficiente de solubilidad del gas. Cuando las moléculas son atraídas se pueden disolver muchas más sin generar un exceso de presión parcial en el interior de la solución. Por el contrario, en el caso de moléculas que son repelidas se generará una presión parcial elevada con menos moléculas disueltas. Estas relaciones se expresan mediante la fórmula siguiente, que es la ley de Henry: Cuando la presión parcial se expresa en atmósferas (una presión de 1 atmósfera es equivalente a 760 mmHg) y la concentración se expresa en volumen de gas disuelto en cada volumen de agua, los coeficientes de solubilidad de gases respiratorios importantes a temperatura corporal son los siguientes:  La presión parcial de cada uno de los gases en la mezcla de gas respiratorio alveolar tiende a hacer que las moléculas de ese gas se disuelva en la sangre de los capilares alveolares. Por el contrario, las moléculas del mismo gas que ya están disueltas en la sangre están rebotando de manera aleatoria en el líquido de la sangre, y algunas de estas moléculas que rebotan escapan de nuevo hacia los alvéolos. La difusión neta está determinada por la diferencia entre las dos presiones parciales. Si la presión parcial es mayor en la fase gaseosa de los alvéolos, como ocurre normalmente en el caso del oxígeno, entonces más moléculas difundirán hacia la sangre que en la otra dirección. Por otro lado, si la presión parcial del gas es mayor en el estado disuelto en la sangre, como ocurre normalmente en el caso del C02, la difusión neta se dirigirá hacia la fase gaseosa de los alvéolos. Cuando se inhala aire no humidificado hacia las vías aéreas, el agua se evapora inmediatamente desde las superficies de estas vías aéreas y humidifica el aire. Esto se debe al hecho de que las moléculas de agua, al igual que las moléculas de los diferentes gases disueltos, están escapando continuamente de la superficie del agua hacia la fase gaseosa. La presión parcial que ejercen las moléculas de agua para escapar a través de la superficie se denomina la presión de vapor del agua. La presión de vapor de agua depende totalmente de la temperatura del agua. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será la actividad cinética de las moléculas y, por tanto, mayor será la probabilidad de que las moléculas de agua escapen de la superficie del agua hacia la fase gaseosa. La presión parcial de un gas es mayor en una zona que en otra zona, habrá una difusión neta desde la zona de presión elevada hacia la zona de presión baja. Algunas moléculas rebotan de manera aleatoria desde la zona de baja presión hacia la zona de alta presión. Por tanto, la difusión neta del gas desde la zona de presión elevada hacia la zona de presión baja es igual al número de moléculas que rebotan en esta dirección anterógrada menos el número que rebota en la dirección contraria, que es proporcional a la diferencia de presiones parciales de gas entre las dos zonas, denominada simplemente diferencia de presión para producir la difusión. Además de la diferencia de presión, hay diversos factores que afectan a la velocidad de difusión del gas en un líquido. Estos factores son: 1) La solubilidad del gas en el líquido. 2) El área transversal del líquido. 3) La distancia a través de la cual debe difundir el gas. 4) El peso molecular del gas. 5) La temperatura del líquido. Los gases importantes en fisiología respiratoria son todos ellos muy solubles en lípidos y, en consecuencia, son muy solubles en las membranas celulares. Debido a esto, la principal limitación al movimiento de los gases en los tejidos es la velocidad a la que los gases pueden difundir a través del agua tisular, en lugar de a través de las membranas celulares. El aire alveolar no tiene en modo alguno las mismas concentraciones de gases que el aire atmosférico. La presión parcial de vapor de agua a una temperatura corporal normal de 37 ºC es de 47 mmHg, que es, por tanto, la presión parcial de vapor de agua del aire alveolar. Como la presión total en los alvéolos no puede aumentar por encima de la presión atmosférica (760 mmHg a nivel del mar), este vapor de agua simplemente diluye todos los demás gases que están en el aire inspirado. En el primer alvéolo de la figura hay una cantidad excesiva de un gas en los alvéolos, pero obsérvese que incluso al final de 16 respiraciones todavía no se ha eliminado completamente el exceso de gas de los alvéolos. En promedio la capacidad residual funcional de los pulmones en un hombre mide aproximadamente 2.300 ml. Sin embargo, solo 350 de aire nuevo entran en los alvéolos en cada inspiración normal y se espira esta misma cantidad de aire alveolar. En el primer alvéolo de la figura hay una cantidad excesiva de un gas en los alvéolos, pero obsérvese que incluso al final de 16 respiraciones todavía no se ha eliminado completamente el exceso de gas de los alvéolos. El oxígeno se absorbe continuamente desde los alvéolos hacia la sangre de los pulmones, y continuamente se respira 02 nuevos hacia los alvéolos desde la atmósfera. Cuanto más rápidamente se absorba el 02, menor será su concentración en los alvéolos; por el contrario, cuanto más rápidamente se inhale nuevo 02 hacia los alvéolos desde la atmósfera, mayor será su concentración. Por tanto, la concentración de 02 en los alvéolos, y también su presión parcial, está controlada por: 1) La velocidad de absorción de 02 hacia la sangre. 2) La velocidad de entrada de 02 nuevos a los pulmones por el proceso ventilatorio. El dióxido de carbono se forma continuamente en el cuerpo y después se transporta por la sangre hacia los alvéolos; se elimina continuamente de los alvéolos por la ventilación. La composición global del aire espirado está determinada por: 1) La cantidad de aire espirado que es aire del espacio muerto. 2) La cantidad que es aire alveolar. Una unidad respiratoria consta de: Bronquíolo respiratorio Conductos alveolares Atrios Alvéolos Los dos pulmones disponen de casi 300 millones de unidades respiratorias. El intercambio gaseoso tiene lugar en las membranas de todas las porciones terminales de los pulmones (membrana respiratoria o membrana pulmonar) y no solo en los alvéolos. La membrana respiratoria está compuesta de varias capas. El intercambio del oxígeno y del dióxido de carbono entre la sangre y el aire alveolar exige la difusión a través de las siguientes capas de la membrana respiratoria Una capa de líquido acuoso que tapiza el alvéolo y contiene surfactante. El epitelio alveolar, compuesto por células epiteliales finas. Una membrana basal epitelial. Un delgado espacio intersticial entre el epitelio alveolar y la membrana endotelial capilar. Una membrana basal capilar que se fusiona con la membrana basal epitelial. La membrana endotelial capilar.  Grosor de la membrana. A pesar del elevado número de capas, el grosor total es de 0,6 µm. Superficie de la membrana. La superficie total de la membrana respiratoria de un adulto sano es de unos 70 m2. Volumen sanguíneo capilar. El volumen sanguíneo capilar oscila entre 60 y 140 ml. Diámetro capilar. El diámetro medio de los capilares pulmonares es de unos 5 µm; la membrana eritrocítica suele tocar la pared capilar. Factores determinan la velocidad de paso del gas por la membrana respiratoria. Los siguientes factores determinan la rapidez con que un gas pasa a través de la membrana respiratoria: 1. Grosor de la membrana respiratoria 2. Superficie de la membrana respiratoria 3. Coeficiente de difusión 4. Diferencia de presiones a través de la membrana respiratoria  La velocidad de difusión a través de la membrana es inversamente proporcional a su grosor. La presencia de líquido edematoso en el espacio intersticial y en los alvéolos reduce la difusión porque los gases respiratorios no solo atraviesan la membrana sino también estas capas adicionales de líquido. La fibrosis pulmonar puede incrementar el grosor En presencia de enfisema, muchos alvéolos se fusionan y las paredes alveolares desaparecen; a menudo, esta acción hace que la superficie total se reduzca hasta cinco veces. El coeficiente de difusión para la La diferencia entre la presión parcial del gas transferencia de cada gas en la en los alvéolos y del gas de la sangre de los membrana respiratoria depende de su capilares es directamente proporcional a la solubilidad en la membrana. velocidad de transferencia de dicho gas a través de la membrana en uno y otro sentido. La capacidad de difusión para el dióxido de carbono es 20 veces mayor que para el oxígeno. La capacidad de la membrana respiratoria para intercambiar un gas entre los alvéolos y la sangre pulmonar se puede expresar en términos cuantitativos a través de la capacidad de difusión, que se define como el volumen de gas que difunde por la membrana en cada minuto para una diferencia de presiones parciales de 1 mmHg. Todos los factores comentados que modifican la difusión por la membrana respiratoria influyen en la capacidad de difusión. La capacidad de difusión pulmonar del oxígeno en una persona en reposo se aproxima a 21 ml/min/mmHg. La capacidad de difusión del dióxido de carbono es casi 20 veces mayor, es decir, 440 ml/min/mmHg. Durante el ejercicio, la oxigenación de la sangre aumenta no solo por la mayor ventilación alveolar, sino también por la mayor capacidad de la membrana respiratoria para transferir el oxígeno a la sangre. Durante un ejercicio agotador, la capacidad de difusión del oxígeno puede aumentar hasta 65 ml/min/mmHg, que es el triple de la capacidad de difusión en reposo. Incremento de la superficie. Relación ventilación-perfusión mejorada La apertura de los capilares pulmonares cerrados y la El ejercicio mejora el acoplamiento dilatación de los capilares entre la ventilación de los alvéolos y la abiertos incrementa el área de perfusión sanguínea de los capilares difusión del oxígeno. alveolares. Muchas enfermedades pulmonares, algunas zonas pulmonares se encuentran bien ventiladas, pero apenas reciben flujo sanguíneo, mientras que otras zonas cuentan con una perfusión suficiente y poca o ninguna ventilación. El intercambio gaseoso a través de la membrana respiratoria se altera en gran medida en cualquiera de estas situaciones. Existe un útil concepto cuantitativo que ayuda a entender el intercambio de gases respiratorio cuando se produce un desequilibrio entre la ventilación y el flujo sanguíneo alveolares; este concepto se denomina cociente ventilación-perfusión (VA/.ÓJ V A/Q es la relación entre la ventilación alveolar y el flujo sanguíneo pulmonar. Cuando la VA (ventilación alveolar) es normal en un determinado alvéolo y Q(flujo sanguíneo) también, la relación VA/Q también se considera normal  Cuando VA/Q es igual a cero, no hay ventilación alveolar, por lo que el aire alveolar se equilibra con la concentración sanguínea de oxígeno y dióxido de carbono. Como la sangre que perfunde los capilares es venosa, los gases de la sangre son los que se equilibran con los alveolares. Así, cuando VA/Q es igual a cero, la Po2 alveolar alcanza 40 mmHg y la Pco , 45 mmHg. Cuando VA/Q es igual a infinito, no hay flujo sanguíneo capilar que pueda transportar el oxígeno o llevar el dióxido de carbono a los alvéolos. El aire alveolar se iguala entonces con el aire inspirado y humidificado, que posee una Po2 de 149 mmHg y una Po2 , de OmmHg. Cuando VA/Q es normal, existe una ventilación alveolar normal y un flujo sanguíneo alveolocapilar normal, lo que facilita un intercambio casi óptimo del oxígeno y del dióxido de carbono. La Po2 alveolar normal se sitúa en torno a 104 mmHg y la Peo, alveolar en unos 40mmHg. Cuanto mayor es el cortocircuito fisiológico, mayor resulta la cantidad de sangre que no se oxigena a su paso por los pulmones. Siempre que VA/Q desciende por debajo del valor normal, una fracción de la sangre venosa atraviesa los capilares pulmonares sin oxigenarse. Esta fracción corresponde a la sangre derivada. Una parte adicional de la sangre fluye por los vasos bronquiales y no a través de los capilares alveolares (en condiciones normales, alrededor del 2% del gasto cardíaco); dicha sangre es derivada y no está oxigenada. El flujo sanguíneo total por minuto de la sangre derivada se conoce como cortocircuito fisiológico. Cuando el espacio muerto fisiológico es grande se desperdicia mucho trabajo ventilatorio porque parte del aire 8 ventilado jamás alcanza la sangre. Cuando la ventilación alveolar es normal pero el flujo sanguíneo alveolar es bajo, el oxígeno disponible en los alvéolos es mucho mayor ·s del que se puede transportar por la sangre; se dice que la ventilación de estos alvéolos no perfundidos se desperdicia, ya que el oxígeno no se difunde en la sangre. La ventilación de las áreas del espacio muerto anatómico de las vías aéreas también se desperdicia. La suma de estos dos tipos de ventilación desperdiciada se denomina espacio muerto fisiológico. La relación VA/Q es alta en el vértice pulmonar y baja en la base. El flujo sanguíneo y la ventilación aumentan desde el vértice hasta la base del pulmón, pero el flujo sanguíneo lo hace de forma más progresiva. Por eso, la relación V A/Q es mayor en el vértice que en la base. En ambos extremos, los desequilibrios entre la ventilación y la perfusión reducen la eficacia para el intercambio de gases en los pulmones Durante el ejercicio, el flujo sanguíneo de la parte superior de los pulmones aumenta llamativamente, con lo que se reduce mucho el espacio muerto fisiológico y la eficacia del intercambio gaseoso roza su nivel máximo. La mayoría de los fumadores crónicos sufren obstrucción bronquial, que puede causar un atrapamiento del aire alveolar con el consiguiente enfisema. A su vez, el enfisema destruye las paredes alveolares. Así, los fumadores presentan dos alteraciones que determinan una relación VA/Q anómala.  VA/Q baja. Como se obstruyen muchos de los bronquiolos pequeños, los alvéolos situados más allá de la obstrucción se quedan sin ventilar. VA/Q alta. En las áreas con destrucción de las paredes alveolares que conservan aún la ventilación, esta se desperdicia por la insuficiencia del flujo sanguíneo.  Vértice del pulmón Base del pulmón Ventilación Más baja Alta Perfusión (flujo Más baja Más alta sanguíneo) VA/Q Máxima Mínima Po2 alveolar local Máxima Mínima Pco2 alveolar local Mínima Máxima