Fisiología Difusión PDF

DIFUSIÓN CÓMO EL AIRE ATRAVIESA LA MEMBRANA ALVEOLOCAPILAR • Leyes de la difusión • Limitaciones de la difusión y la perfusión • Captación de oxígeno a lo largo del capilar pulmonar • Medición de la capacidad de difusión • Índices de reacción con la hemoglobina • Interpretación de la capacidad de d...

DIFUSIÓN CÓMO EL AIRE ATRAVIESA LA MEMBRANA ALVEOLOCAPILAR • Leyes de la difusión • Limitaciones de la difusión y la perfusión • Captación de oxígeno a lo largo del capilar pulmonar • Medición de la capacidad de difusión • Índices de reacción con la hemoglobina • Interpretación de la capacidad de difusión para el CO • Transferencia de CO2 a través de los capilares pulmonares 28 C 3 onsideraremos ahora cómo se desplazan los gases a través de la membrana alveolocapilar por difusión. Primero, se presentarán las leyes básicas de la difusión y, a continuación, se distinguirá entre gases limitados por difusión y gases limitados por perfusión. Se analiza después la captación de oxígeno a lo largo de los capilares, y se ofrece una sección sobre la determinación de la capacidad de difusión usando monóxido de carbono. La velocidad limitada de reacción del oxígeno con la hemoglobina se expone junto con la difusión. Finalmente, se hará una breve referencia a la interpretación de las determinaciones de la capacidad de difusión, y las posibles limitaciones de la difusión del dióxido de carbono. DIFUSIÓN 29 En el capitulo anterior, observamos como el aire se desplaza de la atmosfera a los alvéolos, o en dirección contraria. Ahora, vamos a explicar la transferencia de gases a través de la membrana alveolocapilar, proceso que se produce por difusión. Hace tan sólo 80 años, algunos fisiólogos creían que el pulmón liberaba oxígeno al interior de los capilares, es decir, que el oxígeno se desplazaba desde una región de menor presión parcial a una de mayor presión parcial. Se creía que un proceso como este se producía en la vejiga natatoria de los peces, y que necesitaba energía. Sin embargo, determinaciones más precisas demostraron que no es esto lo que sucede en los pulmones, y que todos los gases se desplazan a través de la pared alveolar por difusión pasiva. LEYES DE LA DIFUSIÓN La ley de Fick describe la difusión a través de los tejidos (fig. 3-1). Esta ley establece que el índice de transferencia de un gas a través de una lámina de tejido parecida a un sello es proporcional a la superficie tisular y a la diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados, e inversamente proporcional al grosor del tejido. Como ya hemos visto, la superficie de la membrana alveolocapilar en los pulmones es enorme (50 m2 a 100 m2), y el grosor es sólo de 0,3 µm en muchos puntos (v. fig. 1-1), de modo que las dimensiones de esta membrana son ideales para la difusión. Además, el índice de transferencia es proporcional a una constante de difusión, que depende de las propiedades del tejido y del gas concreto. La constante es proporcional a la solubilidad del gas, e inversamente proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular (fig. 3-1). Esto significa que el CO2 difunde unas 20 veces más rápidamente que el O2 a través de láminas tisulares, porque su solubilidad es mucho mayor, pero su peso molecular no es muy diferente. P2 Áre O2 a (A Vgas ∝ A . D . (P1 – P2) T D∝ ) solubilidad Peso mol. P1 CO2 Grosor (T) Figura 3-1. Difusión a través de una lámina tisular. La cantidad de gas transferida es proporcional al área (A), una constante de difusión (D) y la diferencia de presión parcial (P1 – P2), e inversamente proporcional al grosor (T). La constante es proporcional a la solubilidad del gas, pero inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular. A raíz de esto, el dióxido de carbono se difunde más rápidamente que el oxígeno. 30 CAPÍTULO 3 Ley de Fick de la difusión • La velocidad de difusión de un gas a través de una lámina tisular es proporcional al área, pero inversamente proporcional al grosor. • La velocidad de difusión es proporcional a la diferencia de presión parcial. • La velocidad de difusión es proporcional a la solubilidad del gas en el tejido, pero inversamente proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular. LIMITACIONES DE LA DIFUSIÓN Y LA PERFUSIÓN Supongamos que un hematíe entra en un capilar pulmonar de un alvéolo que contiene un gas extraño, como monóxido de carbono u óxido nitroso. ¿Con qué rapidez aumentará la presión parcial en la sangre? La figura 3-2 muestra el tiempo en el que el hematíe se desplaza a través del capilar, un proceso que dura Final del capilar Principio del capilar Alveolar O 2 (Normal) Presión parcial N2 O O 2 (Alterada) CO 0 0,25 0,50 0,75 Tiempo en el capilar (s) Figura 3-2. Captación de monóxido de carbono, óxido nitroso y O2 a lo largo del capilar pulmonar. Obsérvese que la presión parcial en sangre del óxido nitroso alcanza prácticamente la del aire alveolar muy al principio del capilar, de forma que la transferencia de este gas está limitada por la perfusión. Por el contrario, la presión parcial del monóxido de carbono en la sangre casi no varía, por lo que su transferencia está limitada por la difusión. La transferencia de O2 puede estar limitada por perfusión o limitada, en parte, por la difusión, dependiendo de las situaciones. DIFUSIÓN 31 unos 0,75 s. Observemos, en primer lugar, el monóxido de carbono. Cuando el hematíe entra en el capilar, el monóxido de carbono se desplaza rápidamente a través de la membrana alveolocapilar, extremadamente delgada, desde el aire alveolar a la célula. Debido a ello, aumenta el contenido de monóxido de carbono en la célula. Sin embargo, a causa del fuerte enlace que se forma entre el monóxido de carbono y la hemoglobina en el interior de la célula, ésta puede captar una gran cantidad de monóxido de carbono sin que prácticamente aumente la presión parcial. Así, cuando la célula se desplaza a través del capilar, la presión parcial de monóxido de carbono en la sangre apenas varía, por lo que no se produce un apreciable cambio de presión, y el gas sigue desplazándose rápidamente a través de la membrana alveolocapilar. Está claro, por lo tanto, que la cantidad de monóxido de carbono que llega a la sangre está limitada por propiedades de difusión de la membrana alveolocapilar y no por la cantidad de sangre disponible1. Se dice, por tanto, que la transferencia de monóxido de carbono está limitada por la difusión. Contrasta el curso cronológico del óxido nitroso. Cuando este gas se desplaza, a través de la pared alveolar, a la sangre, no se produce combinación alguna con la hemoglobina. Debido a ello, la sangre no tiene en absoluto por el óxido nitroso la avidez que tiene por el monóxido de carbono, y la presión parcial aumenta rápidamente. En realidad, la figura 3-2 muestra que la presión parcial del óxido nitroso en la sangre ha alcanzado, prácticamente, la del aire alveolar cuando el hematíe ha recorrido sólo una décima parte del camino a lo largo del capilar. A partir de este punto, ya no se transfiere casi óxido nitroso. Así, la cantidad de este gas captada por la sangre depende totalmente de la cantidad de flujo sanguíneo disponible, y no de las propiedades de difusión de la membrana alveolocapilar. La transferencia de óxido nitroso está, por lo tanto, limitada por la perfusión. ¿Y qué sucede con el O2? Su curso cronológico se encuentra entre el del monóxido de carbono y el del óxido nitroso. El O2 se combina con la hemoglobina (a diferencia del óxido nitroso), pero no con la avidez con que lo hace el monóxido de carbono. En otras palabras, el aumento de la presión parcial cuando el O2 entra en un hematíe es mucho mayor que el que se produce con el mismo número de moléculas de monóxido de carbono. La figura 3-2 muestra que la Po2 del hematíe cuando entra en el capilar es ya de unas cuatro décimas del valor alveolar, a causa del O2 de la sangre venosa mixta. En condiciones típicas de reposo, la Po2 capilar prácticamente alcanza la del aire alveolar cuando el hematíe lleva, aproximadamente, una tercera parte del camino a lo largo del capilar. En estas condiciones, la transferencia de O2 está limitada por la perfusión, como con el óxido nitroso. Sin embargo, en algunas circunstancias anómalas en que las propiedades de difusión pulmonares están alteradas, por ejemplo, a causa del engrosamiento de la membrana alveolocapilar, la Po2 de la sangre no alcanza el valor alveolar al final del capilar, y existe aquí también una cierta limitación de la difusión. Un análisis más detallado muestra que el hecho de que un gas esté o no limitado por la difusión depende esencialmente de su solubilidad en la membrana alveolocapilar, en comparación con su «solubilidad» en la sangre (realmente, la pendiente de la curva de disociación; cap. 6). Para un gas como el monóxido de carbono, son muy diferentes, mientras que para un gas como el óxido nitroso, son Esta descripción introductoria sobre la transferencia de monóxido de carbono no es completamente exacta debido al índice de reacción del monóxido de carbono con la hemoglobina (v. más adelante). 1 32 CAPÍTULO 3 iguales. Como analogía, pensemos en la velocidad con que unas ovejas pueden entrar en un campo a través de una entrada. Si la entrada es estrecha, pero el campo es grande, la cantidad de ovejas que pueden entrar en un tiempo determinado está limitada por el tamaño de la entrada. Sin embargo, si tanto la entrada como el campo son pequeños (o ambos son grandes), el número de ovejas está limitado por el tamaño del campo. CAPTACIÓN DE OXÍGENO A LO LARGO DEL CAPILAR PULMONAR Observemos ahora con más detalle la captación de O2 por la sangre al desplazarse a través de un capilar pulmonar. La figura 3-3A muestra que la Po2 de un hematíe que entra en el capilar es, normalmente, de unos 40 mm Hg. A través de la membrana alveolocapilar, un camino de sólo 0,3 µm, la Po2 alveolar es de 100 mm Hg. A Alveolar 100 Normal Po 2 mm Hg Alterada 50 Muy alterada E sfuerzo 0 0 0,25 0,50 0,75 Figura Alveolar 50 Normal Po 2 mm Hg B Alterada Muy alterada 0 E sfuerzo 0 0,25 0,50 Tiempo en el capilar (s) 0,75 3-3. Curso temporal del oxígeno en el capilar pulmonar cuando la difusión es normal y cuando está alterada (p. ej., a causa del engrosamiento de la membrana alveolocapilar por una enfermedad). A) Muestra el curso cronológico cuando la PO2 alveolar es normal. B) Muestra una oxigenación más lenta cuando la PO2 alveolar es anormalmente baja. Obsérvese que en ambos casos el esfuerzo intenso disminuye el tiempo disponible para la oxigenación. DIFUSIÓN 33 El oxígeno fluye a favor de este gran gradiente de presión, y la Po2 del hematíe aumenta rápidamente; en realidad, como ya se ha visto, casi alcanza la Po2 del aire alveolar en el momento en que el hematíe sólo ha recorrido un tercio de su camino a lo largo del capilar. Así, en circunstancias normales, la diferencia de Po2 entre el aire alveolar y la sangre al final del capilar es inmensurablemente pequeña (una mera fracción de 1 mm Hg). En otras palabras, las reservas de difusión de los pulmones sanos son enormes. Con un esfuerzo intenso, el flujo sanguíneo pulmonar aumenta notablemente, y el tiempo que normalmente pasa el hematíe en el capilar (alrededor de 0,75 s) puede disminuir hasta tan sólo la tercera parte. Por lo tanto, el tiempo disponible para la oxigenación es menor, aunque en personas sanas que respiran aire no suele producirse aún una disminución mensurable en la Po2 al final del capilar. Sin embargo, si la membrana alveolocapilar está muy engrosada por alguna causa patológica, de modo que se impida la difusión del oxígeno, el índice de aumento de la Po2 en los hematíes es correspondientemente lento, y la Po2 puede no alcanzar la del aire alveolar antes del tiempo disponible para la oxigenación en el capilar. En este caso, puede producirse una diferencia mensurable entre la Po2 del aire alveolar y la de la sangre al final de los capilares. Otro modo de subrayar las propiedades de difusión de los pulmones es disminuir la Po2 alveolar (fig. 3-3B). Supongamos que se ha disminuido a 50 mm Hg, porque la persona ha ascendido a una gran altitud o porque ha inhalado una mezcla con escaso O2. Ahora, aunque la Po2 en el hematíe al principio del capilar puede ser sólo de unos 20 mm Hg, la diferencia de presión parcial responsable de conducir el O2 a través de la membrana alveolocapilar ha disminuido desde 60 mm Hg (fig. 3-3A) a sólo 30 mm Hg. El O2 atraviesa, por tanto, más lentamente. Además, la velocidad del aumento de la Po2 para un determinado aumento de la concentración de O2 en la sangre es menor de la que era, a causa de la escarpada pendiente de la curva de disociación para el O2 cuando la Po2 es baja (v. cap. 6). Por ambas razones, por lo tanto, el aumento de la Po2 a lo largo del capilar es relativamente lento, y es más probable que no se pueda alcanzar la Po2 alveolar. Así, el esfuerzo intenso a una gran altitud es una de las pocas situaciones en las que puede demostrarse, de modo convincente, la alteración de la difusión de la transferencia de O2 en personas sanas. De modo análogo, será más probable que los pacientes con un engrosamiento de la membrana alveolocapilar muestren signos de alteración de la difusión si respiran una mezcla con escaso oxígeno, especialmente si también realizan esfuerzos. Difusión del oxígeno a través de la membrana alveolocapilar • La sangre sólo permanece unos 0,75 s en el capilar en reposo. • En situación de reposo, la PO2 de la sangre prácticamente alcanza la del aire alveolar tras un tiempo de, aproximadamente, un tercio del que pasa en el capilar. • Con el esfuerzo, el tiempo disminuye a, quizá, 0,25 s. • El proceso de difusión se altera por el esfuerzo, la hipoxia alveolar y el engrosamiento de la membrana alveolocapilar. 34 CAPÍTULO 3 MEDICIÓN DE LA CAPACIDAD DE DIFUSIÓN Hemos visto que la transferencia de oxígeno a los capilares pulmonares está normalmente limitada por la cantidad de flujo sanguíneo disponible, aunque, en algunas circunstancias, también se produce una limitación por la difusión (fig. 3-2). Por el contrario, la transferencia de monóxido de carbono únicamente está limitada por la difusión y, por lo tanto, es el gas de elección para medir las propiedades de difusión de los pulmones. Antes se utilizó el O2 en condiciones hipóxicas (fig. 3-3B), pero es una técnica que ya no se usa. Las leyes de la difusión (fig. 3-1) establecen que la cantidad de gas transferido a través de una lámina de tejido es proporcional al área, a una constante de difusión y a la diferencia de presión parcial, e inversamente proporcional al grosor, o: · A Vgas = · D · (P1 – P2) T En una estructura compleja como la membrana alveolocapilar del pulmón, no es posible medir el área ni el grosor durante la vida. En su lugar, la ecuación se reescribe: · Vgas = DL · (P1 – P2) donde DL es la capacidad de difusión del pulmón, y comprende el área, el grosor y las propiedades de difusión de la lámina de tejido y del gas en cuestión. Así, la capacidad de difusión para el monóxido de carbono viene dada por: · Vco DL = P1 – P2 donde P1 y P2 son las presiones parciales del aire alveolar y de la sangre capilar, respectivamente. Como ya se ha visto (fig. 3-2), la presión parcial del monóxido de carbono en la sangre capilar es extremadamente pequeña y, generalmente, puede despreciarse. Así: · Vco DL = Paco o, en otras palabras, la capacidad de difusión del pulmón para el monóxido de carbono es el volumen de monóxido de carbono transferido en mililitros por minuto por mm Hg de presión parcial alveolar. Una prueba usada frecuentemente es el método de respiración única, en el que se realiza una sola inspiración de una mezcla diluida de monóxido de carbono, y se calcula la velocidad de desaparición del monóxido de carbono del aire alveolar durante 10 s de contención de la respiración. Suele realizarse midiendo las concentraciones inspirada y espirada del monóxido de carbono con un analizador de infrarrojos. La concentración alveolar del monóxido de carbono no es constante durante el período de contención de la respiración, pero puede tenerse en cuenta. También se añade helio al aire inspirado para proporcionar una medida del volumen pulmonar por dilución. DIFUSIÓN 35 El valor normal de la capacidad de difusión para el monóxido de carbono en reposo es de unos 25 ml/min/mm Hg, que se duplica o triplica con el esfuerzo, debido al reclutamiento y distensión de capilares pulmonares (cap. 4). Medición de la capacidad de difusión • Se usa el monóxido de carbono porque la captación de este gas está limitada por la difusión. • La capacidad de difusión normal es de unos 25 ml/min/mm Hg. • La capacidad de difusión aumenta con el esfuerzo. ÍNDICES DE REACCIÓN CON LA HEMOGLOBINA Hasta ahora, hemos supuesto que toda la resistencia al desplazamiento del O2 y del CO reside en la barrera que existe entre la sangre y el aire. Sin embargo, la figura 1-1 muestra que la longitud del camino desde la pared alveolar hasta el centro de un hematíe supera la de la propia pared, de forma que parte de la resistencia a la difusión se localiza dentro del capilar. Además, hay otro tipo de resistencia a la transferencia del gas que se comenta, más convenientemente, con la difusión, es decir, la resistencia causada por el índice finito de reacción del O2 o el CO con la hemoglobina del interior del hematíe. Cuando se añade O2 (o CO) a la sangre, su combinación con la hemoglobina es bastante rápida, completándose casi en 0,2 s. Sin embargo, la oxigenación se produce con tal rapidez en el capilar pulmonar (fig. 3-3) que incluso esta rápida reacción retrasa significativamente la carga de O2 por el hematíe. Así, la captación de O2 (o CO) puede contemplarse como algo que sucede en dos etapas: a) difusión del O2 a través de la membrana alveolocapilar (que incluye el plasma y el interior del hematíe), y b) reacción del O2 con la hemoglobina (fig. 3-4). De hecho, se pueden sumar las dos resistencias resultantes para producir una resistencia global a la «difusión». Ya · vimos que la capacidad de difusión del pulmón se define como DL = Vgas /(P1 – P2), es decir, como el flujo del gas dividido por una diferencia de presión. Así, la inversa de la DL es la diferencia de presión dividida por el flujo, y es, por lo tanto, análoga a la resistencia eléctrica. En consecuencia, la resistencia de la membrana alveolocapilar en la figura 3-4 se muestra como 1/DM, donde M significa membrana. La velocidad de reacción del O2 (o del CO) con la hemoglobina puede describirse por θ, que proporciona la velocidad en mililitros por minuto de O2 (o de CO) que se combina con 1 ml de sangre por mm Hg de presión parcial de O2 (o de CO). Es análogo a la «capacidad de difusión» de 1 ml de sangre y, cuando se multiplica por el volumen de sangre capilar (Vc), proporciona la «capacidad de difusión» eficaz de la velocidad de reacción del O2 36 CAPÍTULO 3 P ared alveolar Alvéolo O2 DM H ematíe O 2 + Hb → Hb O 2 θ • Vc 1 1 1 = + θ • Vc DL DM Figura 3-4. La capacidad de difusión del pulmón (DL) consta de dos componentes: el debido al propio proceso de difusión y el atribuible al tiempo que tarda el O2 (o el CO) en reaccionar con la hemoglobina. con la hemoglobina. De nuevo, este inverso 1/(θ · Vc) describe la resistencia de esta reacción. Podemos añadir las resistencias ofrecidas por la membrana y la sangre, para obtener la resistencia total a la difusión. De este modo, la ecuación sería: 1 DL = 1 DM + 1 θ · Vc En la práctica, las resistencias ofrecidas por la membrana y los componentes sanguíneos son aproximadamente iguales, de modo que una disminución del volumen de sangre capilar por una enfermedad puede reducir la capacidad de difusión del pulmón. La θ para el CO disminuye si una persona respira una mezcla con una concentración elevada de O2, porque éste compite con el CO por la hemoglobina. A causa de ello, la capacidad de difusión medida disminuye al respirar O2. De hecho, es posible determinar por separado DM y Vc midiendo la capacidad de difusión del CO para diferentes valores de Po2. Velocidad de reacción del O2 y el CO con la hemoglobina • La velocidad de reacción del O2 es rápida, pero como se dispone de tan poco tiempo en el capilar, esta velocidad puede ser un factor limitante. • La resistencia a la captación de O2 atribuible a la velocidad de reacción es probablemente la misma, aproximadamente, que la debida a la difusión a través de la membrana alveolocapilar. • La velocidad de reacción del CO puede alterarse cambiando la PO2 alveolar. De esta forma, pueden derivarse las contribuciones separadas de las propiedades de difusión de la membrana alveolocapilar y el volumen de sangre capilar. DIFUSIÓN 37 INTERPRETACIÓN DE LA CAPACIDAD DE DIFUSIÓN PARA EL CO Está claro que la capacidad de difusión medida del pulmón para el CO depende, no sólo del área y el grosor de la membrana alveolocapilar, sino también del volumen de sangre en los capilares pulmonares. Además, en los pulmones enfermos, la determinación se ve afectada por la distribución de las propiedades de difusión, el volumen alveolar y la sangre capilar. Por estas razones, en ocasiones (sobre todo en Europa) se usa el término factor de transferencia para destacar que la medición no refleja únicamente las propiedades de difusión del pulmón. TRANSFERENCIA DE CO2 A TRAVÉS DE LOS CAPILARES PULMONARES Hemos comentado ya que la difusión del CO2 a través de un tejido es unas 20 veces más rápida que la del O2, a causa de la solubilidad mucho mayor del CO2 (fig. 3-1). A primera vista, por lo tanto, parece improbable que la eliminación de CO2 pueda afectarse por dificultades de la difusión y, en realidad, ésa ha sido la creencia general. No obstante, la reacción del CO2 con la sangre es compleja (v. cap. 6) y, aunque existe alguna incertidumbre sobre las velocidades de diversas reacciones, es posible que pueda aparecer una diferencia entre la sangre al final del capilar y el aire alveolar si existe una afectación patológica de la membrana alveolocapilar. C ONCE PTOS C LAV E 1. La ley de Fick establece que la velocidad de difusión de un gas a través de 2. 3. 4. 5. una lámina de tejido es proporcional al área de la lámina y a la diferencia de presión parcial a través de ella, e inversamente proporcional al grosor de la lámina. El monóxido de carbono y el óxido nitroso son ejemplos de gases limitados por la difusión y por la perfusión, respectivamente. La transferencia de oxígeno está limitada normalmente por la perfusión, pero puede producirse alguna limitación por la difusión en algunas situaciones, entre ellas el esfuerzo intenso, el engrosamiento de la membrana alveolocapilar y la hipoxia alveolar. La capacidad de difusión pulmonar se mide usando monóxido de carbono inhalado. El valor aumenta notablemente con el esfuerzo. La velocidad de reacción finita del oxígeno con la hemoglobina puede disminuir su velocidad de transferencia a la sangre, y el efecto es similar al de la disminución de la velocidad de difusión. La transferencia de dióxido de carbono a través de la membrana alveolocapilar probablemente no está limitada por la difusión.