Fisiológia Médica de Boron._115222.pdf

C A P Í T U L O 26 ORGANIZACIÓN DEL APARATO RESPIRATORIO Walter F. Boron FISIOLOGÍA COMPARADA DE LA RESPIRACIÓN Priestley, dejando detrás aire «no vital», o nitrógeno (N2). Además, propuso que se...

C A P Í T U L O 26 ORGANIZACIÓN DEL APARATO RESPIRATORIO Walter F. Boron FISIOLOGÍA COMPARADA DE LA RESPIRACIÓN Priestley, dejando detrás aire «no vital», o nitrógeno (N2). Además, propuso que se consume O2 porque reacciona con una sustancia La respiración externa es el intercambio de O2 y CO2 para producir otra. El matemático Joseph-Louis Lagrange N26-6 entre la atmósfera y las mitocondrias sugirió que el consumo de O2 y la producción de CO2 tienen lugar no en los pulmones, sino en tejidos aislados, como posteriormen- Durante milenios se ha considerado que la respiración es un sinóni- te demostró de manera rigurosa Lazzaro Spallanzani a finales del mo de vida. La vida comienza y acaba con la respiración. La Biblia siglo XVIII. N26-7 afirma que Dios «sopló en la nariz [de Adán] un aliento de vida» Por tanto, a finales del siglo xviii químicos y fisiólogos sabían y que después utilizó una parte del aparato respiratorio de Adán que la combustión, la putrefacción y la respiración constituyen (una costilla) para dar vida a Eva. reacciones químicas que consumen O2 y producen CO2. Los pos- En los siglos iv y v antes de Cristo, los escritos atribuidos a teriores avances en la química de los gases que llevaron a cabo Hipócrates sugerían que la principal finalidad de la respiración Boyle, Henry, Avogadro y otros autores sentaron los cimientos es enfriar el corazón. Hubo que esperar a que en el siglo xviii teóricos de la fisiología del O 2 y el CO2. Así, la respiración era se empezara a desvelar la verdadera función de la respiración, un tema unificador en la historia de los primeros tiempos de la cuando varios investigadores estudiaron la química de los gases. fisiología, la química y la bioquímica. Los químicos habían reconocido similitudes entre la combustión Trabajos posteriores mostraron que la respiración mitocondrial y la respiración, aunque creían que ambas suponían la liberación (es decir, la oxidación de compuestos que contienen carbono para de una «esencia de fuego» llamada flogisto. Según su teoría, ni la generar CO2) es responsable del consumo de O2 y de la produc- combustión ni la vida podían tener lugar una vez que el aire se ción de CO2 que había observado Spallanzani. Este aspecto de hubiera saturado de flogisto. la respiración suele llamarse respiración interna o fosforilación En la década de 1750, Joseph Black N26-1 observó que si se oxidativa (v. pág. 1185). calienta carbonato cálcico se produce un gas al que denominó «aire En los capítulos de fisiología respiratoria nos centramos en la fijo», que actualmente se sabe que es dióxido de carbono (CO2). respiración externa, los dos procesos de: 1) transporte de O2 des­ También encontró que la respiración de los animales produce este de la atmósfera hasta las mitocondrias, y 2) transporte de CO2 gas. Poco después, Henry Cavendish N26-2 encontró que la desde las mitocondrias hasta la atmósfera. También veremos que fermentación y la putrefacción también generan aire fijo. A prin- el transporte de CO2 está íntimamente relacionado con la homeos- cipios de la década de 1770 se produjo el descubrimiento del oxí­ tasis ácido-base. geno (O2) por Carl Scheele N26-3 (que lo llamó «aire de fuego») y por Joseph Priestley N26-4 (que lo denominó «aire desflogis- ticado»). En 1785, Henry Cavendish N26-2 encontró que el aire La difusión es el principal mecanismo de la respiración desflogisticado representa ∼20% del aire atmosférico. Priestley externa en los organismos acuáticos pequeños observó que la combustión, la putrefacción y la respiración consu- El mecanismo fundamental del transporte de O 2 y CO 2 es la men aire desflogisticado, y que todas ellas reducen el volumen del difusión (v. pág. 108). Los movimientos aleatorios de molécu- aire ambiente en ∼20%. Por el contrario, descubrió que las plantas las como el O2 y el CO2, ya sea en fase gaseosa o disueltos en producen aire desflogisticado, que cuantificó haciéndolo reaccionar agua, dan lugar a un movimiento neto de la sustancia desde con óxido nítrico (un gas incoloro) para producir dióxido de nitró- regiones de concentración elevada hasta regiones de concen- geno (un gas de color rojo). tración baja (fig. 26-1A, recuadro). No se produce consumo de A mediados de la década de 1770, Priestley presentó sus hallaz- energía. La fuerza que impulsa la difusión es el gradiente de con­ gos a Antoine Lavoisier, N26-5 al que a menudo se considera el centración. padre de la química moderna. Lavoisier puso rápidamente las Imaginemos un organismo unicelular suspendido en un observaciones empíricas de Priestley en un marco teórico que matraz con agua de un estanque a 37 °C. El agua está en equili- utilizó para demoler la teoría del flogisto, teoría que Priestley brio con la atmósfera, que tiene la composición habitual de O 2 y sostuvo hasta su muerte. Lavoisier reconocía que el aire desflogis- CO2 (tabla 26-1). Las presiones parciales de O2 (Po2) y de CO2 ticado, al que denominó «oxígeno», representa ∼20% del aire (Pco2) en el aire seco son ligeramente mayores que los valores ambiente consumido por la combustión en los experimentos de correspondientes en el aire húmedo que está inmediatamente por 590 © 2017. Elsevier España, S.L.U. Reservados todos los derechos  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 591 Figura 26-1 Difusión de O2 y CO2 para un organismo unicelular. En A a D, el eje de ordenadas de las rejillas muestra la concentración disuelta (o presión parcial) de O2 y CO2. El eje de abscisas representa la distancia (no a escala). En D, las líneas roja y azul discontinuas y los triángulos de color violeta que circunscriben representan la magnitud de los gradientes que impulsan la difusión de O2 y CO2. Las vías roja (O2) y azul (CO2) represen­ tan el circuito de sangre desde los capilares pulmonares hasta los capilares sistémicos y el recorrido de vuelta. LEC, líquido extracelular. TABLA 26-1 Composición del aire ATMÓSFERA CON AIRE SECO TRÁQUEA CON AIRE HÚMEDO PRESIÓN PARCIAL PRESIÓN PARCIAL AL NIVEL DEL MAR AL NIVEL DEL MAR GAS FRACCIÓN EN EL AIRE (%) (mmHg) FRACCIÓN EN EL AIRE (%) (mmHg) Nitrógeno 78,09 593,48 73,26 556,78 Oxígeno 20,95 159,22 19,65 149,37 Dióxido de carbono 0,03 0,23 0,03 0,21 © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Argón 0,93 7,07 0,87 6,63 Agua 0 0 6,18 47 Total 100 760 100 760 encima de la superficie del agua (cuadro 26-1). Son estas presiones embargo, como las mitocondrias del interior del organismo conti- parciales en el aire húmedo las que determinan las concentraciones nuamente consumen O2 y producen CO2, la Po2 en la superficie de de O2 disuelto ([O2]dis) y de CO2 disuelto ([CO2]dis) en el agua las mitocondrias será menor que la Po2 en la fase libre, mientras (cuadro 26-2). Por tanto, la Po2 en el aire húmedo (así como en el que la Pco2 en la superficie de las mitocondrias será mayor que la agua que está debajo de él) será de ∼149 mmHg (o torr) y la Pco2 Pco2 en la fase libre (v. fig. 26-1A, lado derecho). Estas diferencias será una cantidad casi despreciable de 0,2 mmHg. Estos números de presión parcial hacen que el O2 difunda desde la fase libre del describen la composición de la fase libre del agua del estanque agua del estanque hasta las mitocondrias y que el CO2 difunda en (v. fig. 26-1A, lado izquierdo), a cierta distancia del organismo. Sin el sentido contrario. 592 SECCIÓN V Sistema respiratorio CUADRO 26-1 Gases húmedos: La difusión del O 2 sigue un gradiente de Po 2 decreciente presiones parciales de O2 y CO2 en soluciones (v. fig. 26-1A). La región en la cual disminuye gradualmente la equilibradas con aire húmedo N26-8 Po2 desde el agua libre del estanque hasta la superficie externa de la membrana plasmática es la capa extracelular no agitada, I denominada así porque en esta zona no se produce mezcla por magine que un matraz con agua está equilibrado con una atmósfera normal y que tanto el agua como la atmósfera tienen convección. Una disminución gradual y similar de la Po2 impulsa una temperatura de 37 °C. Para el aire seco (es decir, el aire la difusión de O2 a través de la capa intracelular no agitada, desde que no contiene vapor de agua), el O2 constituye ∼21% del gas la superficie interna de la membrana plasmática hasta las mitocon- total en volumen (v. tabla 26-1). Por tanto, si la presión ambiente drias. La disminución abrupta de la Po2 a través de la membrana (o presión barométrica, Pb) es de 760 mmHg, la presión parcial plasmática refleja cierta resistencia al paso de gas. El perfil para la de O2 (Po2) es el 21% de 760 mmHg: 159 mmHg (fig. 26-2). Sin Pco2 es similar, aunque con una orientación contraria. embargo, si la interfase aire-agua es razonablemente estacionaria, La velocidad a la que el O2 o el CO2 atraviesa la superficie del el vapor de agua saturará el aire inmediatamente adyacente al organismo es el caudal (unidades: moles/s). De acuerdo con una líquido. ¿Cuál es la Po2 de este aire húmedo? A 37 °C, la presión versión simplificada de la ley de Fick (v. pág. 108), el caudal es parcial del agua (Ph2o) es de 47 mmHg. De la presión total del proporcional a la diferencia de concentración a través de esta aire húmedo, la Ph2o constituye 47 mmHg, y los componentes del aire seco suponen el valor restante, 760 − 47 = 713 mmHg. barrera. Como, gracias a la ley de Henry, sabemos que la concen- Así, la presión parcial de O2 en este aire húmedo es: tración de un gas disuelto es proporcional a su presión parcial en la fase gaseosa, el caudal también es proporcional a la diferencia Fracción de aire de presiones parciales (∆P): seco que es O2  PO2 = FO2 ( ⋅ PB − PH2O ) Caudal ∝ ∆P (26-1) = ( 21%) ⋅ ( 760 mmHg − 47 mmHg) = 149 mmHg La difusión simple es el mecanismo mediante el cual el O2 y el La proporción de CO2 en el aire seco es ∼0,03% (v. tabla 26-1). CO2 recorren distancias cortas en el aparato respiratorio: entre el Por tanto, la presión parcial de CO2 en el aire húmedo es: aire y la sangre en los alvéolos y entre las mitocondrias y la sangre de la circulación periférica. ( PCO2 = FCO2 ⋅ PB − PH2O ) La convección incrementa la difusión al producir = ( 0,03%) ⋅ ( 760 mmHg − 47 mmHg) gradientes mayores a través de la barrera de difusión = 0,21mmHg Un sistema puramente difusivo solo puede establecer un ∆P relati- Estos ejemplos son los valores reales observados en fisiología vamente pequeño a través de la barrera de intercambio gaseoso del respiratoria. Cuando inhalamos aire relativamente frío y seco, la organismo (v. fig. 26-1A). No obstante, para organismos pequeños nariz y el resto de las vías respiratorias superiores calientan y incluso este ∆P relativamente pequeño es adecuado para satis- humedecen rápidamente el aire en tránsito, de modo que alcanza facer las necesidades de consumo de O2 y eliminación de CO2. Sin la composición del aire húmedo que se presenta en la tabla 26-1. embargo, cuando el diámetro del organismo supera ∼1 mm, la difusión simple llega a ser inadecuada para el intercambio gaseoso. Una forma de atenuar este problema es introducir un mecanismo para la convección en la superficie externa del organismo. Para un paramecio, el batido de los cilios aproxima mucho el agua de la fase libre (que tiene una Po2 de ∼154 mmHg a 25 °C y una Pco2 de ∼0,2 mmHg) a la superficie de la célula. Esta mezcla reduce el tamaño de la capa no agitada extracelular, y de esta manera aumen- ta la Po2 y disminuye la Pco2 en la superficie externa del organismo. El efecto neto es que los gradientes de presión parcial, tanto de O2 como de CO2, aumentan a través de la barrera de intercambio gaseoso (v. fig. 26-1B), lo que lleva a un aumento proporcional del caudal de ambas sustancias. Los organismos filtradores, como las ostras y las almejas, bombean el agua de la fase libre más allá del órgano de intercambio gaseoso. Como la solubilidad en el agua del O2 es relativamente baja, un orga- nismo de este tipo puede tener que bombear 16.000 ml de agua para extraer tan solo 1 ml de O2 gaseoso. En los peces, que son mucho más eficientes, el cociente puede ser mucho menor, de ∼400:1. En los mamíferos, la fase libre está en la atmósfera, y el sistema convectivo externo es una bomba de aire formada por la pared torácica, los músculos respiratorios y los conductos a través de los cuales pasa el aire (desde la nariz hasta los alvéolos). La ventilación es el proceso mediante el cual se desplaza el aire introduciéndolo en los pulmones y expulsándolo de ellos. Los anfibios introducen aire en los pulmones deglutiéndolo. Los reptiles, las aves y los Figura 26-2 Comparación entre gases húmedos y secos. Obsérvese que mamíferos expanden los pulmones generando una presión negativa la presión parcial de O2 es menor en el aire húmedo que en el aire seco. dentro del tórax. Debido a que el contenido de O2 del aire es mucho  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 593 CUADRO 26-2 Presiones parciales y ley de Henry L os fisiólogos respiratorios generalmente expresan la concen­ tración de un gas, independientemente de que esté mez­ clado con otro gas (p. ej., O2 mezclado con N2, como ocurre en el aire) o disuelto en una solución acuosa (p. ej., O2 disuel­ to en agua), como presión parcial. La ley de Dalton afirma que la presión total (P total) de una mezcla de gases es la suma de sus presiones parciales individuales. Imagine que tenemos un gas ideal (Z) mezclado con otros gases. Como el cociente de la presión parcial de Z (PZ) respecto a la presión total (Ptotal) es su fracción molar (XZ), PZ = X Z ⋅ Ptotal Así, si la PZ en una muestra de gas fuera el doble que en otra, XZ (es decir, la concentración de Z) también sería el doble. Puede no ser inmediatamente evidente por qué (cuando Z está disuelto en soluciones acuosas) sigue siendo razonable expresar la concentración de Z como PZ. Según la ley de Henry, la concentración de O2 disuelto en agua ([O2]dis) es proporcional a la PO2 en la fase gaseosa: O2 dis = s ⋅ PO2 La constante de proporcionalidad s es la solubilidad; para el O2, s es ∼0,0013 mM/mmHg a 37 °C para una solución similar al plasma sanguíneo. La solubilidad del CO2 es ∼23 veces mayor. Considérese un matraz con agua a 37 °C equilibrado con una atmósfera que tiene una Po2 de 100 mmHg, la presión parcial en el plasma sanguíneo arterial de los mamíferos (fig. 26-3A, solución 1): Figura 26-3 Ley de Henry y difusión de gases disueltos.  mM  [O2 ]dis =  0,0013 ⋅ (100 mmHg) = 0,13 mM  mmHg  mayor (∼210 ml de O2/l de aire a temperatura y presión estándar/ Ahora considérese un segundo matraz equilibrado con una seco, o STPD; cuadro 26-3), en contraposición con el agua (∼35 ml atmósfera que tiene una Po2 de 40 mmHg, la presión parcial del de O2/l de agua), la cantidad de aire que tienen que desplazar los O2 en la sangre venosa mixta (v. fig. 26-3A, solución 2): seres humanos es mucho menor que la cantidad de agua que deben desplazar las ostras. Por ejemplo, un ser humano puede ventilar los  mM  alvéolos con 4.000 ml de aire limpio cada minuto y extraer de este [O2 ]dis =  0,0013 ⋅ ( 40 mmHg) = 0,05 mM  mmHg  aire 250 ml de O2 gaseoso, un cociente de 16:1. Aunque somos 1.000 veces más eficientes que las ostras, el Si ahora colocamos muestras de estas dos soluciones en principio de los sistemas convectivos externos es el mismo: ase- lados opuestos de una barrera semipermeable en un recipien­ gurarse de que la superficie externa de la barrera de intercambio te cerrado (v. fig. 26-3B), el gradiente de O2 a través de esta gaseoso esté en contacto estrecho con un fluido cuya composición barrera expresado en relación con las concentraciones (∆[O2]) es se asemeje (tanto como sea práctico) a la de la fase libre. ¿Cuánto 0,13 − 0,05 = 0,08 mM. Expresado en función de las presiones parciales (∆Po2), este mismo gradiente es 100 − 40 = 60 mmHg. «tanto» es «práctico»? La composición del aire alveolar se aproxima Imagine que tomamos ahora una muestra de 5 ml de cada una a la del aire inspirado húmedo cuando la ventilación alveolar se © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. de las soluciones de los matraces de la figura 26-3A, extrayendo acerca al infinito (v. pág. 680). Como las tasas ventilatorias elevadas el líquido con jeringuillas, sellando las jeringuillas, colocándolas tienen un coste metabólico significativo, el cuerpo debe llegar a un en hielo y enviándolas a un laboratorio clínico para su análisis, equilibrio entre la optimización de la Po2 y la Pco2 alveolares, por como se hace habitualmente con las muestras de sangre arterial. un lado, y la minimización del trabajo de la ventilación, por otro. Aunque no hay fase gaseosa en equilibrio con ninguna de las so­ En un individuo adulto medio, el equilibrio al que se ha llegado luciones de las jeringuillas, el laboratorio seguirá expresando las es una ventilación alveolar de ∼4.000 ml/min, una Po2 alveolar de concentraciones de O2 en milímetros de mercurio (mmHg). Estas ∼100 mmHg (frente a los 149 mmHg de una atmósfera húmeda son las presiones parciales de O2 con las que han estado equili­ a 37 °C) y una Pco2 alveolar de ∼40 mmHg (frente a 0,2 mmHg). bradas las soluciones, o con las que tendrían que equilibrarse, para alcanzar la [O2]dis en las muestras líquidas. Un ejemplo clínico en el que fracasa el sistema convectivo externo es la intoxicación por barbitúricos. Aquí la intoxicación por el fármaco inhibe los centros de control respiratorio del bulbo raquídeo (v. pág. 700), de manera que la ventilación se ralentiza o incluso se detiene. La consecuencia es que la capa no agitada entre la atmósfera de la fase libre y la barrera hematogaseosa alveolar llega 594 SECCIÓN V Sistema respiratorio CUADRO 26-3 Convenciones para la medición de los volúmenes de gases BTPS Aquí, Tcorporal y Tambiente son temperaturas absolutas. Los gases en el pulmón están saturados con vapor de agua a 37 °C Si la Tcorporal es 37 °C (310 K), entonces el correspondiente valor (310 K). A esta temperatura, la Ph2o es de 47 mmHg (v. cuadro 26-1). de Ph2o es 47 mmHg. Si la Tambiente es 25 °C (o 298 K), entonces Si la glotis está abierta y no hay caudal de aire, entonces la presión la correspondiente Ph2o es 24 mmHg. Para estas condiciones, la total del aire en los pulmones es la Pb, que supondremos que es de conversión de un volumen ATPS en un volumen BTPS pasa a ser 760 mmHg. En este caso, la presión parcial de los gases secos en los pulmones es (760 − 47) = 713 mmHg. La convención es presentar el ( 760 − 24 ) 310 K volumen de los gases de los pulmones (y los cambios del volumen de ∆VBTPS = ⋅ ⋅ ∆VATPS = 1,074 ⋅ ∆VATPS ( 760 − 47) 298 K estos gases) a la temperatura y la presión corporales, saturado con vapor de agua, o BTPS. Estos volúmenes incluyen tanto los gases Por tanto, el mismo gas húmedo que ocupa 1.000 ml en un húmedos como los secos. espirómetro en condiciones ATPS, ocupa 1.074 ml en los pulmones en condiciones BTPS. ATPS Si un volumen de aire es expulsado desde los pulmones (∆VBTPS) ha­ STPD cia un espirómetro, cuyo «suelo» está formado por agua (v. fig. 26-8), La convención es presentar el volumen de los gases de la sangre el aire espirado ahora estará a la temperatura y la presión am­ (p. ej., CO2 disuelto u O2 unido a hemoglobina) de la misma manera bientales, saturado con vapor de agua, o ATPS. Así, debemos corre­ que lo harían los químicos, a temperatura y presión estándar/seco, gir el cambio de volumen (∆VATPS) que registra el espirómetro o STPD. La temperatura estándar es de 0 °C (273 K) y la presión (en condiciones ATPS) para conocer el volumen que había ocupado estándar es 760 mmHg. Se puede recordar de los cursos de quími­ este mismo gas en los pulmones (en condiciones BTPS). Hay dos ca general que un mol de un gas ideal ocupa 22,4 l en condiciones factores que actúan a medida que el aire alveolar caliente se des­ STPD. Si se quiere convertir ∆VSTPD en ∆VBTPS, se puede demostrar plaza hacia un espirómetro más frío: 1) la Ph2o disminuye y parte del que: N26-13 H2O gaseosa se condensa para dar lugar a H2O líquida, de acuerdo con la dependencia de la temperatura de la Ph2o, y 2) la presión que PB T ejercen las moléculas de gas seco disminuye, de acuerdo con la ley ∆VBTPS = ⋅ corporal ⋅ ∆VSTPD de Charles. N26-8 Si partimos de la ley de Boyle-Charles, PB − PH2 O a Tcorporal Testándar PBTPS ⋅ ∆VBTPS PATPS ⋅ ∆VATPS Para una temperatura corporal de 37 °C, la conversión de un = volumen BTPS en un volumen STPD pasa a ser: TBTPS TATPS se puede inferir que N26-12 760 310 K ∆VBTPS = ⋅ ⋅ ∆VSTPD = 1,21⋅ ∆VSTPD 760 − 47 273 K ∆VBTPS = (PB − PH2O a Tambiente ) Tcorporal ⋅ ⋅ ∆VATPS Así, el mismo gas seco que ocupa 1.000 ml en condiciones quí­ (PB − PH2O a Tcorporal ) Tambiente micas estándar ocupa 1.210 ml en el cuerpo en condiciones BTPS. a ser extremadamente grande (es decir, la distancia entre la nariz y La figura 26-1D resume los perfiles de Po2 y Pco2 correspon- los alvéolos). En consecuencia, la Po2 alveolar disminuye hasta tales dientes a un sistema circulatorio sofisticado construido alrededor niveles que el ∆Po2 a través de la pared alveolar no puede mantener de un corazón con cuatro cavidades y circulaciones pulmonar y el caudal de O2 y una [O2] arterial que sea compatible con la vida. sistémica separadas. El sistema circulatorio transporta (por con- La suspensión de la ventilación también hace que aumente la Pco2 vección) sangre pobre en Po2 desde un capilar sistémico cerca de alveolar hasta niveles tan altos que el caudal de CO2 desde la sangre las mitocondrias hasta la pared alveolar. Al comienzo de un capilar hasta el aire alveolar es inaceptablemente bajo. pulmonar, un gradiente de Po2 elevado entre los alvéolos y la sangre Un sistema convectivo externo maximiza el intercambio gaseoso garantiza un elevado caudal de entrada de O2 (mediante difusión), al suministrar de manera continua agua o aire en fase libre a la y la Po2 sanguínea aumenta hasta coincidir con la Po2 alveolar (es superficie externa de la barrera de intercambio gaseoso, lo que decir, externa) en el momento en el que la sangre sale del capilar permite mantener una Po2 externa elevada y una Pco2 externa pulmonar. Por último, la sangre arterial sistémica transporta (por baja. Un sistema circulatorio es un sistema convectivo interno que convección) esta sangre rica en Po2 hasta los capilares sistémicos, maximiza el caudal de O2 y CO2 a través de la barrera de intercambio donde un elevado gradiente de Po2 de la sangre a las mitocondrias gaseoso haciendo llegar a la superficie interna de esta barrera sangre maximiza la entrada de O2 en las mitocondrias (difusión). En el que tiene una Po2 tan baja y una Pco2 tan alta como sea posible. La caso del CO2 ocurre lo contrario. Por tanto, las circulaciones pul- perfusión es el proceso mediante el cual se hace llegar la sangre a los monar y sistémica separadas garantizan unos gradientes máximos pulmones. La figura 26-1C muestra un sistema convectivo interno para la difusión de gases en los capilares pulmonares y sistémicos. primitivo (e hipotético), un sistema que esencialmente agita todo Para la situación que se describe en la figura 26-1D es necesario el contenido interno del organismo, de manera que la Po2 de los el corazón con cuatro cavidades característico de los mamíferos, fluidos internos libres es uniforme, semejante a la de la superficie así como de los reptiles avanzados y las aves. El ventrículo derecho de la mitocondria. La consecuencia es que el ∆Po2 a través de la bombea hacia los pulmones sangre con una Po2 baja y una Pco2 barrera de intercambio gaseoso es bastante grande, aunque el ∆Po2 alta que ha recibido a través de las venas periféricas, mientras entre el líquido interno libre y la mitocondria es bastante pequeño. que el ventrículo izquierdo bombea hacia la periferia (es decir,  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 594.e1 N26-12 Conversión de ∆VBTPS a ∆VATPS Colaboración de Walter Boron La base de nuestra derivación será la ley de los gases ideales: Por ejemplo, si la Pb es de 760 mmHg y la temperatura ambiente es de 25 °C, entonces el volumen que ocupan las moléculas secas PV = nRT (NE 26-11) expulsadas desde los pulmones es: Estamos interesados en seguir una parte del volumen total de gas (760 − 47) (273 + 25 ) ∆V seco = ⋅ ⋅ ∆V en los pulmones a medida que este volumen se desplaza desde los 760 (273 + 37) BTPS pulmones (en condiciones BTPS) hasta un espirómetro en equilibrio 713 298 K (NE 26-19) = ⋅ ⋅ ∆VBTPS con agua líquida (en condiciones ATPS). En los pulmones, el volumen 760 310 K que sale es ∆VBTPS. Nos centraremos en el número de moléculas de = 0,902 ⋅ ∆VBTPS gas en el volumen ∆VBTPS: En otras palabras, si las moléculas de gas seco ocuparan 1 l en PBTPS ⋅ ∆VBTPS los pulmones, ocuparían solo 902 ml en el espirómetro. n= (NE 26-12) RTBTPS Sin embargo, este volumen de moléculas de gas seco no repre­ senta todo el gas que espiramos… También espiramos vapor de Supongamos que la presión dentro de los pulmones (PBTPS) es la agua. ¿Qué volumen ocupa el vapor de agua después de expulsarlo misma que la presión barométrica (PB), lo cual ocurre cuando no hay hacia el espirómetro? La respuesta a esta pregunta puede pare­ flujo de aire y la glotis está abierta: cer algo extraña, pero el volumen (o el número) de moléculas de agua expulsadas desde los pulmones lo determina el volumen (o el PB ⋅ ∆VBTPS número) de moléculas de agua en el espirómetro. El motivo es que n= (NE 26-13) RTBTPS la presión parcial de H2O en el espirómetro (cuya fase gaseosa está en equilibrio con H2O líquida) no depende de la cantidad de vapor de H2O que se expulsa, sino solo de la temperatura ambiente. Con­ El valor de n en la ecuación NE 26-13 tiene dos componentes: el sidérense cuatro supuestos: H2O y los gases secos (es decir, todo lo que no sea H2O). El número Si la temperatura corporal es mayor que la temperatura ambiente de moléculas de gas seco es proporcional a la presión parcial de los (es decir, la Ph2o es mayor en el cuerpo que en el espirómetro), gases secos. Así, entonces algunas de las moléculas de H2O espiradas se condensan en el líquido del espirómetro. Esto es lo habitual. Una vez en el espi­ nsec o = PBTPS seco ⋅ ∆VBTPS = (P B − PBTPS H2O ) ⋅ ∆VBTPS (NE 26-14) rómetro, las moléculas de gas seco procedentes de los pulmones RTBTPS RTBTPS están acompañadas por menos moléculas de H2O gaseosa que las que las habían acompañado en los pulmones. Si la temperatura corporal fuera la misma que la temperatura Por ejemplo, si la Pb es de 760 mmHg y la temperatura corporal ambiente, entonces el número de moléculas de H2O que acompa­ es de 37 °C, entonces el número de moléculas secas es: ñarían al gas seco espirado en los pulmones sería el mismo que el número de moléculas de H2O que acompañan a este gas seco espira­ mmHg   do en el espirómetro. En otras palabras, ∆VBTPS sería igual que ∆VATPS. (760 − 47) ⋅ ∆VBTPS n seco = Si la temperatura corporal fuera menor que la temperatura R(273  + 37)  ambiente, entonces a las moléculas de H2O espiradas se les unirían K (NE 26-15) en la fase gaseosa del espirómetro otras moléculas de H2O adicio­ ( 713 mmHg) ⋅ ∆VBTPS nales que se evaporarían desde el agua líquida del espirómetro. = R ⋅ ( 310 K ) En otras palabras, una vez en el espirómetro, las moléculas de gas seco procedentes de los pulmones estarían acompañadas por más ¿Qué volumen ocuparían estas mismas moléculas de gas seco moléculas de H2O gaseosa que las que las habían acompañado en después de la espiración hacia un espirómetro a temperatura los pulmones. ambiente (TATPS)? Supondremos que la presión ambiente es Pb. Por último, imagine que, en lugar de espirar hacia el espirómetro Reorganizando la ley de los gases ideales, tenemos: un volumen ∆V de aire BTPS (formado tanto por aire seco como por vapor de H2O), introdujéramos en el espirómetro únicamente el aire nseco ⋅ RTATPS seco a temperatura corporal contenido en ∆VBTPS. A este aire seco se ∆VATPS seco = (NE 26-16) PB le unirán en la fase gaseosa del espirómetro las moléculas de H2O que se evaporen del agua líquida del espirómetro… y el ∆V final en © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. el espirómetro será el mismo que si se hubiera espirado aire BTPS Si se sustituye en la ecuación NE 26-16 el valor de nseco obtenido (es decir, húmedo) hacia el espirómetro. en la ecuación NE 26-14 se tiene: Por tanto, cuando se calcula el cambio total del volumen del espirómetro (∆VATPS) no hace falta considerar el número de molé­ ∆VATPS seco = (P B − PBTPS H2O ) ⋅ ∆VBTPS RTATPS ⋅ culas de H2O que se expulsan de los pulmones; solo se tiene que (NE 26-17) calcular cuántas moléculas de H2O gaseosa deben acompañar a RTBPTS PB  las moléculas de gas seco espiradas una vez que estas moléculas nseco de gas seco están en los límites conocidos del espirómetro. Abor­ daremos este problema calculando el cociente de moléculas de Si se anula R y se reorganizan los términos, se tiene: gas seco respecto a las de gas total contenidas en ∆VATPS. Dentro del volumen ∆VATPS (es decir, dentro del espirómetro), el cocien­ ∆VATPS seco = (P B − PBTPS H2O )⋅T ATPS ⋅ ∆VBTPS (NE 26-18) te del número de moléculas de gas es igual al cociente de sus PB TBTPS respectivas presiones: (Continúa)  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 595 las mitocondrias) sangre con una Po2 alta y una Pco2 baja reci- no ser suficientemente grande como para mantener velocidades bida a través de las venas pulmonares. El mantenimiento de los adecuadas de intercambio gaseoso. gradientes máximos para la difusión de O2 y CO2 en los capilares pulmonares y sistémicos precisa que la sangre de los ventrículos Los pigmentos respiratorios como la hemoglobina derecho e izquierdo no se mezcle. Sin embargo, este tipo de mezcla incrementan la capacidad de la sangre de transportar es precisamente lo que ocurre en los peces y los anfibios, cuyos O2 y CO2 corazones tienen un ventrículo único. En estos animales, la sangre aórtica tiene valores de Po2 y Pco2 intermedios entre los valores de En los mamíferos, el sistema convectivo externo (es decir, el apara­ la sangre venosa que vuelve de la circulación sistémica y la sangre to ventilatorio), el sistema convectivo interno (es decir, el aparato que sale de la barrera de intercambio gaseoso. El resultado son circulatorio) y la propia barrera (es decir, la pared alveolar) son unos gradientes de Po2 y Pco2 subóptimos tanto en la barrera de tan eficientes que la difusión de O2 y CO2 no es lo que limita el intercambio gaseoso como en las mitocondrias. intercambio gaseoso, al menos no en personas sanas a nivel del mar. En los seres humanos, el sistema convectivo interno puede fallar Imagine qué ocurriría si la sangre venosa mixta que fluye por un cuando las válvulas cardíacas enfermas reducen el gasto cardíaco. capilar pulmonar contuviera únicamente agua y sales. La difusión Otro ejemplo es el cortocircuito de sangre entre las circulaciones de O2 desde el espacio del aire alveolar hacia la «sangre» sería tan pulmonar y sistémica, como puede ocurrir en recién nacidos con rápida —y la solubilidad del O2 en la solución salina sería tan baja— malformaciones congénitas (p. ej., comunicaciones interauriculares (v. cuadro 26-2) que, antes de que la sangre pudiera recorrer ∼1% del o interventriculares). La consecuencia es el mismo tipo de mezcla trayecto por el capilar, la Po2 de la sangre sería igual a la Po2 del aire de sangre venosa sistémica y sangre de la barrera de intercambio alveolar (es decir, todo el O2 que se pudiera mover se habría movido). gaseoso que se produce en los anfibios y los peces. Así, los pacientes En el ∼99% restante del capilar, el gradiente de Po2 a través de la barre- con cortocircuitos no pueden establecer gradientes de Po2 y Po2 ra sería nulo, y ya no fluiría más O2 hacia la sangre. En consecuencia, normales en los capilares pulmonares y periféricos y, debido a ello, con un gasto cardíaco normal, la sangre nunca transportaría suficiente no pueden generar caudales normales de O2 y CO2. O2 desde los pulmones hasta los tejidos para mantener la vida. Esto mismo sucedería, pero a la inversa, para la eliminación del CO2. El aumento del área de superficie incrementa la difusión Los animales resuelven este problema con pigmentos respirato- rios, metaloproteínas especializadas que, gracias al metal, se unen El caudal pasivo de O2 o CO2 a través de una barrera es proporcio- reversiblemente al O2, lo que aumenta mucho la capacidad de trans- nal no solo al gradiente de concentración, sino también al área de porte de O2. En algunos artrópodos y moluscos, el pigmento es la barrera: N26-9 hemocianina, que coordina dos átomos de cobre. Los helmintos poliquetos y los braquiópodos utilizan hemeritrinas, que coordinan Caudal ∝ ∆P × Área (26-2) dos átomos de hierro. Sin embargo, los pigmentos respiratorios más frecuentes (y más eficientes) son las hemoglobinas, que coordinan De hecho, los animales superiores han aumentado su capacidad un anillo porfirínico que contiene hierro. Todos los vertebrados, de intercambiar O2 y CO2 con su entorno aumentando el área de además de numerosos grupos de animales no relacionados, utilizan superficie a través de la cual tiene lugar el intercambio gaseoso. Por hemoglobina, que es el componente principal de los eritrocitos. ejemplo, los moluscos (como los calamares) y los peces tienen aga- La presencia de hemoglobina mejora mucho la dinámica de llas, que se forman por evaginación de la barrera de intercambio la captación de O2 por la sangre que pasa por los pulmones. En gaseoso, lo que aumenta mucho su área de superficie. Los animales condiciones normales, la hemoglobina se una reversiblemente a terrestres superiores amplifican la barrera de intercambio gaseoso ∼96% del O2 que difunde desde los espacios aéreos alveolares hasta invaginándola, creando pulmones. En un anfibio como la rana adulta, la sangre capilar, lo que aumenta mucho la capacidad de transporte los pulmones son sencillos sacos aéreos con un área de superficie de O2 de la sangre. La hemoglobina tiene una participación fun- relativamente pequeña. No es sorprendente que una gran proporción damental en el transporte o desplazamiento de CO2 por su unión del intercambio gaseoso deba realizarse a través de la piel. La barrera reversible al CO2, además de actuar como un potente amortiguador de intercambio gaseoso es mucho más sofisticada en los reptiles, cuyos de pH. En la anemia, el contenido de hemoglobina de la sangre está pulmones están tapizados con alvéolos o incluso están subdivididos reducido, lo que reduce la capacidad de transporte de O2 y CO2 de por barreras tapizadas por alvéolos. El efecto neto es aumentar el la sangre. Una persona con anemia puede compensar esta situación cociente superficie/volumen de los pulmones. Los mamíferos aumen- únicamente si los tejidos sistémicos extraen más O2 de cada litro tan aún más el área disponible para la difusión, desarrollando pul- de sangre, o si aumenta el gasto cardíaco. Sin embargo, hay límites mones muy complejos con bronquios y un gran número de alvéolos. a la cantidad de O2 que pueden extraer los tejidos y al nivel al que © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. En los seres humanos, la superficie pulmonar es tan extensa y el corazón puede aumentar su gasto. delgada que el transporte de O2 y CO2 a través de la pared alveolar es ∼3 veces más rápido de lo necesario, al menos cuando la persona La fisiopatología recapitula la filogenia… a la inversa está en reposo al nivel del mar. No obstante, esta redundancia tiene suma importancia durante el ejercicio (cuando puede aumen- Por los ejemplos fisiopatológicos que ya se han presentado debe tar mucho el gasto cardíaco), cuando se vive a grandes alturas quedar claro que, cuando falla un componente fundamental del (situación en la que la Po2 es baja) y en los ancianos (cuando el aparato respiratorio de un organismo superior, la respiración exter- funcionamiento pulmonar disminuye). Una disminución impor- na se vuelve más parecida a la de un organismo inferior en la escala tante del área de superficie, o un engrosamiento de la barrera, evolutiva. Por ejemplo, el fallo de la bomba de aire de un mamífero puede ser perjudicial. Ejemplos son la exéresis quirúrgica de un hace que este individuo se comporte más como un organismo pulmón (que reduce la superficie total para el intercambio gaseoso acuático unicelular sin cilios. Una reducción del área de superficie en aproximadamente la mitad) y el edema pulmonar (que aumenta de los alvéolos en un mamífero crea los mismos problemas a los el grosor efectivo de la barrera). Así, si una persona con una barrera que se enfrenta un anfibio con pulmones sacciformes sencillos. engrosada pierde un pulmón, el área de superficie restante puede Un cortocircuito importante en el aparato circulatorio hace que