1. SISTEMA RESPIRATORIO:

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1 1. SISTEMA RESPIRATORIO: 1.1. MECÁNICA DE LA VENTILACIÓN PULMONAR: La respiración externa es la principal función del sistema respiratorio, esta se define como el proceso fisiológico por medio del cual los organismos vivos toman oxígeno del medio circundante (oxigenación) y desprenden dióxido de carbono hacia el mismo (ventilación). Este proceso fisiológico de intercambio de gases entre la atmósfera y el ser vivo requiere de la interacción armoniosa de todos los componentes que hacen parte del sistema respiratorio: pulmones, sistema nervioso central, vasos pulmonares, vía aérea superior e inferior, caja torácica y músculos. Finalmente, el sistema respiratorio interacciona con el sistema cardiovascular para el transporte de estos gases hacia y desde la célula. De esta manera se obtiene y transporta el oxígeno necesario para la producción de energía a nivel mitocondrial y se remueve el dióxido de carbono producto del metabolismo celular COMPONENTES DEL SISTEMA RESPIRATORIO: El sistema respiratorio está constituido por 5 componentes: pulmones, sistema nervioso central, vasos pulmonares, vía aérea superior e inferior, caja torácica y componente músculoesquelético. A continuación se hace una descripción de cada uno de ellos haciendo énfasis en el papel que desempeñan durante los procesos de oxigenación y ventilación VÍAS AÉREAS: La función principal de las vías aéreas es la conducción de gases entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares. Fisiológicamente, las vías aéreas se dividen en una zona de conducción denominada espacio muerto donde no hay intercambio gaseoso y en otra denominada zona de intercambio. En la primera se cumplen funciones importantes como olfación, fonación y adecuación de los gases inspirados. La zona de intercambio está conformada por los bronquíolos respiratorios, los conductos alveolares y el alvéolo pulmonar. En esta zona es posible el intercambio de oxígeno y de CO 2 entre la sangre capilar pulmonar y el espacio aéreo. A medida que la vía aérea avanza hacia el alvéolo se divide de manera dicotómica dando origen a ramas que se enumeran en términos de generaciones, siendo la generación cero la tráquea y la generación 23 el saco alveolar. La zona de intercambio está conformada por los bronquíolos respiratorios (generación 17 a 19), los conductos alveolares (generación 20 a 22) y el alvéolo pulmonar (generación 23 en adelante). En esta zona es posible el intercambio de oxígeno y de CO 2 entre la sangre capilar pulmonar y el espacio aéreo. Estas estructuras ofrecen una baja resistencia al paso de aire y brindan una amplia y extensa superficie para la difusión de los gases (50 a 100 m 2 ).

2 Al multiplicar cada uno de estos tres volúmenes por la frecuencia respiratoria en un minuto se obtiene respectivamente, la ventilación minuto, la ventilación del espacio muerto anatómico y la ventilación alveolar. Finalmente, es conveniente aclarar que en algunas circunstancias algunos segmentos de la zona de intercambio no pueden participar del intercambio gaseoso por presencia de alvéolos no funcionales o por disminución de su flujo sanguíneo. Por tanto, desde un punto de vista funcional, estos alvéolos deben considerarse como espacio muerto. Cuando el espacio muerto alveolar se incluye dentro del espacio muerto anatómico se denomina espacio muerto fisiológico. Las vías aéreas dependen de un tono adecuado del músculo liso bronquial para que la resistencia al flujo de gases sea baja. Este tono resulta de la interacción de los sistemas nerviosos simpático y parasimpático; de manera que, el estímulo de los receptores B 2 simpáticos en la vía aérea produce broncodilatación con disminución de la resistencia y el estímulo parasimpático por medio de receptores colinérgicos (o el antagonismo de los receptores B 2 simpáticos) genera broncoconstricción y aumento de la resistencia al flujo de los gases.

3 PULMÓN: El pulmón es un órgano que tiene la función de permitir que un volumen determinado de aire se ponga en contacto de manera transitoria e intermitente con la superficie de intercambio gaseoso. Para cumplir con esta función el pulmón posee dos características fundamentales: Una gran facilidad para deformarse (distensibilidad) y una gran capacidad para recuperar su forma inicial (elasticidad). En virtud de estas dos características y por acción de los músculos inspiratorios, el pulmón permite que un volumen determinado de aire lo distienda, entrando desde la atmósfera hasta el alvéolo para ponerse en contacto con la superficie de intercambio gaseoso. Luego, al suspenderse el estímulo inspiratorio y gracias a sus propiedades elásticas, el pulmón recupera su forma inicial expulsando el aire que lo distendía hacia la atmósfera. Éste fenómeno de entrada y salida de aire conforman el ciclo respiratorio o el ciclo de inspiraciónespiración que se repite alrededor de 12 a 16 veces cada minuto en el sujeto adulto normal. La distensibilidad pulmonar está determinada por tres factores principales: primero por el volumen pulmonar, siendo inversamente proporcional a éste, es decir, entre más volumen tenga el pulmón más difícil será expandirlo y viceversa; segundo, por la presencia del surfactante pulmonar que logra disminuir la tensión superficial en el interior del alvéolo y de esta manera evita la tendencia natural de éste hacia el colapso; y finalmente, por la disposición geométrica de las fibras de elastina CIRCULACIÓN PULMONAR. Los pulmones tienen doble circulación: la bronquial y la pulmonar. La primera representa el 1% del gasto cardiaco y se origina en las arterias intercostales o directamente en la aorta por ello hace parte de la circulación sistémica originada en el corazón izquierdo e irriga al árbol traqueobronquial hasta el nivel de los bronquios respiratorios (generación 16). Además origina los vasa vasorum de las arterias pulmonares. Hecho importante debido a que la tensión arterial de oxígeno en éstos vasa vasorum es responsable en parte del tono arterial pulmonar, produciendo vasoconstricción por hipoxia moderda y vasodilatación pulmonar ante hipoxemia severa. A partir de la generación 17 en adelante, cada pulmón es irrigado por la circulación pulmonar a través de las arterias pulmonares derecha e izquierda que reciben la toda la sangre del corazón derecho. El drenaje venoso de los bronquios principales se realiza hacia las venas ázigos, hemiázigos y mediastinal. Los bronquios distales y el parénquima pulmonar drena su sangre a través de las venas pulmonares hacia la aurícula izquierda. La circulación pulmonar tiene las siguientes funciones: Primero, transporta la sangre desoxigenada desde el corazón derecho hasta el sitio de intercambio gaseoso a través de las arterias pulmonares. Segundo, produce una rica red capilar alrededor de los alvéolos lo que resulta en una amplia superficie de intercambio gaseoso. Y tercero, conduce la sangre oxigenada al corazón izquierdo por medio de cuatro venas pulmonares principales.

4 Por último, cabe resaltar el efecto gravitacional sobre el flujo sanguíneo del pulmón, el cual resulta en una mayor perfusión de las áreas basales o declives pulmonares y una menor irrigación de las áreas superiores o apicales. Este fenómeno tiene relevancia al observar que la distribución del flujo de aire en el pulmón sigue el mismo patrón, siendo mayor en las áreas declives y menor en las apicales lo que permite un acople excelente entre la ventilación y la perfusión pulmonar SISTEMA NERVIOSO CENTRAL Y PERIFÉRICO: El sistema nervioso central y periférico cumple con varias funciones: genera y transmite el estimulo para que se produzca la contracción de los músculos respiratorios, regula la frecuencia e intensidad de la contracción de éstos y regula el tono de los músculos lisos en la vía aérea y en los vasos pulmonares. El estímulo para la respiración se genera en el centro respiratorio que está conformado por tres grupos de neuronas a cada lado del tallo cerebral. Estos son: el grupo respiratorio dorsal que emite señales inspiratorias rítmicas, el centro neumotáxico que determina la frecuencia respiratoria al permitir una mayor o menor duración de la inspiración y el grupo respiratorio ventral que puede producir inspiración o espiración según las neuronas que sean estimuladas y que cobra importancia cuando se requiere aumentar la ventilación pulmonar. Existe un cuarto grupo de neuronas que conforman el centro apnéusico cuya función es perpetuar el estímulo inspiratorio en cuyo caso los pulmones se llenan de aire casi por completo apareciendo breves y esporádicos jadeos espiratorios. Sin embargo, en condiciones normales el centro apnéusico es inhibido por el centro neumotáxico y sólo regula la profundidad de la inspiración. Además, existe un área quimiosensible situada en la superficie ventral del bulbo raquídeo que responde a cambios tanto de la presión de dióxido de carbono como de la concentración de

5 hidrogeniones. Estas neuronas son mucho más sensibles a los iones hidrógeno que al dióxido de carbono, sin embargo, el hidrógeno difunde poco a través de la barrera hematoencefálica y por eso el dióxido de carbono se constituye en el principal estímulo químico de ésta área. Finalmente, existe un control periférico de la respiración ejercido por el oxígeno a través de receptores quimiosensibles localizados en los cuerpos carotìdeos y aórticos. Los cambios en la presión arterial de oxígeno son censados en dichos quimiorreceptores y ésta información es enviada a través de los nervios vago e hipogloso hacia el centro respiratorio para aumentar la ventilación pulmonar. El sistema nervioso también participa en el control del tono del músculo liso bronquial para que la resistencia al flujo de gases sea baja. Este tono resulta de la interacción de los sistemas nerviosos simpático y parasimpático; en consonancia, el estímulo de los receptores B 2 simpáticos en la vía aérea produce bronco dilatación con disminución de la resistencia y el estímulo parasimpático por medio de receptores colinérgicos (o el antagonismo de los receptores B 2 simpáticos) genera bronco constricción y aumento de la resistencia al flujo de los gases COMPONENTE MÚSCULO ESQUELÉTICO: El componente músculo esquelético tiene la función de generar un gradiente de presión entre la atmósfera y el alvéolo lo que permite la entrada y salida de gases; este gradiente de presión se genera por la contracción muscular. En condiciones de reposo, existen dos fuerzas opuestas en el sistema respiratorio, una generada por la retracción elástica del pulmón que tiende hacia el colapso del pulmón y otra generada en la caja torácica que intenta expandirlo. Estas dos fuerzas encuentran su equilibrio cuando termina la espiración normal no forzada, es decir, cuando el pulmón está en su capacidad funcional residual. Los músculos inspiratorios se

6 encargan de romper este equilibrio, aumentando la fuerza que se opone al retroceso elástico del pulmón haciendo que éste se expanda. El músculo inspiratorio más importante es el diafragma, al contraerse, el diafragma desplaza el contenido abdominal en sentido caudal y, en consecuencia, el diámetro vertical de la caja torácica aumenta. Además, los bordes de las costillas se levantan y se desplazan hacia fuera, haciendo que también aumente el diámetro transversal del tórax. Los músculos inspiratorios que le siguen en importancia son los intercostales externos que cuando se contraen, desplazan las costillas hacia arriba y adelante, aumentando los diámetros lateral y anteroposterior del tórax. Los músculos accesorios de la inspiración sólo participan cuando se requiere complementar la acción de los primeros. Estos músculos comprenden los escalenos que elevan las dos primeras costillas y los esternocleidomastoideos que elevan el esternón. En conclusión, las fuerzas de contracción muscular logran cambiar las dimensiones de la caja torácica expandiéndola. Al expandirse, se genera una fuerza de distensión que se transmite a través del parénquima pulmonar hasta el alvéolo donde la presión cae por debajo de la presión atmosférica, generándose de esta manera una diferencia de presión suficiente para vencer la resistencia al flujo de aire en la vía aérea y permitir la entrada de gases hasta el alvéolo. Finalmente, cuando los músculos entran en reposo y predomina el retroceso elástico del

7 pulmón, la presión intraalveolar será superior a la atmosférica y habrá salida de gases hacia la atmósfera INTERACCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA RESPIRATORIO: FLUJO DE AIRE. Como se mencionó al principio, la función principal del sistema es la respiración externa; esto es, el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y la atmósfera denominados oxigenación y ventilación respectivamente. Sin embargo, para que esto suceda debe generarse una diferencia de presión entre la atmósfera y el alvéolo. Así, durante la inspiración la presión alveolar debe ser menor que la presión atmosférica para permitir la entrada de aire, lo cual se logra a través de un proceso activo de contracción muscular. Por el contrario, durante la espiración, la presión alveolar debe ser superior a la atmosférica para posibilitar la salida del gas, este proceso es pasivo y se realiza por medio de la retracción elástica del pulmón. Como punto de partida hay que tener en cuenta cuatro aspectos fundamentales: Primero, los gases fluyen desde un sitio de mayor presión a otro con menor presión. Segundo, en estado de reposo al abrir la boca, la presión en el alvéolo será igual a la presión atmosférica y por tanto, no existirá diferencia de presión para el flujo de aire. Tercero, el alvéolo por si mismo no puede expandirse, requiere la ayuda externa de los músculos inspiratorios. Cuarto, la expansión alveolar hace caer la presión en su interior por debajo de la atmosférica permitiendo el flujo de gas (ley de Boyle). A continuación se describen los fenómenos que explican las diferencias de presión entre alvéolo y atmósfera durante el ciclo respiratorio y que son el resultado de la interacción de cada uno de los componentes del sistema. El pulmón es una estructura elástica; de ahí que, si no existieran fuerzas que lo mantengan distendido este colapsa como un globo y elimina todo su aire a través de la tráquea. Por otra parte, al no existir uniones entre el pulmón y las paredes de la caja torácica, este flota en la cavidad torácica rodeado por una fina capa de líquido pleural que lubrica sus movimientos. Este líquido pleural es bombeado continuamente por los linfáticos, lo que genera una fuerza de succión entre las dos hojas pleurales (hoja visceral pulmonar y hoja parietal de la cavidad torácica) del orden de -5 cm de agua (lleva el signo menos por tratarse de una presión inferior a la atmosférica). Esta fuerza de succión hace que el pulmón esté en permanente contacto con la pared torácica cuando ésta se expande o se contrae. No obstante, West propone que la presión negativa intrapleural es el resultado de dos fuerzas que se oponen, la de la caja toráxica que ejerce presión hacia fuera y la del pulmón que ejerce presión hacia adentro. Como ya se ha descrito, existe normalmente una ligera succión que produce una presión negativa con un valor de -5 cm de agua suficiente para mantener los pulmones abiertos en su posición de reposo (capacidad funcional residual). Luego, durante la inspiración normal, la expansión de la caja torácica tracciona de la superficie de los pulmones con una fuerza mayor que produce una presión negativa de -7,5 cm de agua. Esta ganancia de presión negativa del orden de -2,5 cm es transmitida a través de todo el parénquima pulmonar (presión transpulmonar). Por fenómenos físicos esta presión es de -1 cm de H 2 O en el alvéolo, la cual es suficiente para producir la entrada de 500 ml de aire en cada inspiración. Después,

8 durante la espiración el proceso se invierte; es decir, el retroceso elástico condiciona que la presión alveolar sea mayor que la atmosférica; en consecuencia, el flujo de aire sale del alveolo a la atmósfera. Ley de Boyle: A temperatura constante, la presión (P) de un gas varía inversamente con el volumen (V) o P1V1 = P2V2. Considere dos recipientes de diferente tamaño a los cuales se les introdujo una cantidad igual del mismo gas. En el recipiente más grande las moléculas del gas estarán más dispersas y distanciadas unas de las otras generando menor presión sobre las paredes del recipiente. En el recipiente más pequeño, las moléculas estarán mucho más juntas aumentando la velocidad de colisión sobre las paredes del recipiente lo que produce el aumento de presión en su interior. Ahora imagine que el recipiente es el alvéolo durante la inspiración (recipiente grande) y durante la espiración (recipiente pequeño). En el primer caso, las moléculas contenidas en el alvéolo estarán más dispersas, disminuyendo la presión dentro del mismo hasta niveles subatmosféricos y, por diferencia de presiones, el gas viajará desde el sitio de mayor presión al de menor presión, es decir, desde la atmósfera hasta el alvéolo. En el segundo caso, el volumen alveolar reducido por el retroceso elástico del pulmón durante la espiración hace que las moléculas de gas dentro del alvéolo estén más juntas. El aumento de presión intraalveolar resultante expulsa al gas hacia la atmósfera. A continuación se resumen la serie de eventos que se producen en el sistema respiratorio durante cada ciclo de inspiración espiración. Tabla Eventos involucrados en una respiración normal (interacciones). Los pasos 4 a 8 (*) de la inspiración ocurren simultáneamente; y los pasos 3 a 5 de la expiración ocurren simultáneamente. Inspiración 1. El cerebro inicia el comando inspiratorio. 2. Los nervios transmiten el impulso a los músculos inspiratorios. 3. El diafragma (y los músculos intercostales externos) se contraen. 4. El volumen torácico se aumenta cuando la pared torácica se expande.(*) 5. La presión pleural cae a valores más negativos.(*) 6. La diferencia de presión entre la pleura y el alvéolo aumenta.(*) 7. Los alvéolos pulmonares se expanden en respuesta al aumento de esta diferencia.(*) 8. La presión alveolar cae por debajo de la presión atmosférica cuando aumenta el volumen alveolar, entonces establece un gradiente de presión para la entrada de aire.(*) 9. El aire entra al alvéolo hasta cuando la presión alveolar nuevamente se equilibra con la presión atmosférica. Espiración 1. El cerebro cesa el comando inspiratorio. 2. Los músculos inspiratorios se relajan. 3. El volumen torácico disminuye al hacerse menos negativa la presión pleural,(*) 4. Disminuye la diferencia de presión entre pleura y alvéolo, lo que permite un aumento del retroceso elástico retornando el alvéolo a sus volúmenes preinspiratorios.(*) 5. La disminución del volumen alveolar aumenta la presión alveolar por encima de la presión atmosférica, entonces establece un gradiente de presión para la salida de aire.(*) 6. El aire sale del alvéolo hasta cuando la presión alveolar se equilibra con la presión atmosférica.

9 PROPIEDADES EMERGENTES DEL SISTEMA RESPIRATORIO: El resultado final de las interacciones de cada uno de los componentes del sistema respiratorio o propiedades emergentes más importantes de éste, son la oxigenación y la ventilación (el equilibrio ácido básico es otra propiedad emergente). Todos los componentes del sistema pulmonar interactúan con la finalidad de permitir la entrada de oxígeno de la atmósfera, la entrega de este al sistema cardiovascular para que lo transporte a la célula y la eliminación del dióxido de carbono producto del metabolismo celular a la atmosfera. Atrás analizamos que para cumplir con esta función el sistema respiratorio debe establecer una diferencia de presión entre el alvéolo y la atmósfera, y lo hace en condiciones normales disminuyendo la presión alveolar a niveles infra-atmosféricos. A continuación se describe en detalle y de manera separa los procesos de oxigenación y ventilación OXIGENACIÓN GLOBAL: UN VIAJE HASTA LA MITOCONDRIA. La oxigenación pulmonar es una de las propiedades emergente del sistema respiratorio; es decir, es una propiedad que emerge cuando todos sus componentes interactúan. Esta puede definirse como todos los procesos químicos y físicos implicados en la entrega de oxigeno a la célula, para ello, el sistema debe generar un gradiente de oxigeno entre el alvéolo y la sangre de los capilares para permitir la entrada de oxigeno desde el alvéolo a la sangre (hematosis). El oxigeno que difunde a través de la membrana alvéolo capilar es transportado a la célula por la hemoglobina y el sistema cardiovascular para que ocurra la oxigenación celular. Cuando hablamos de oxigenación global nos referimos tanto a la oxigenación pulmonar y celular como a los mecanismos implicados en el transporte de oxigeno desde la atmósfera hasta la célula. Este proceso es denominado por algunos autores como la cascada del oxigeno. Algunos autores denominan la oxigenación pulmonar y la oxigenación celular como respiración externa y respiración interna respectivamente. Los organismos unicelulares (de los reinos Protistas y Móneras) están en contacto directo con su medio externo y en la mayoría este es agua oceánica. Parece ser que por esto no tienen mecanismos respiratorios especializados sino que realizan el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono por difusión a través de la membrana celular. La presión de oxígeno en el interior del organismo es menor que la del medio exterior (aéreo o acuático), mientras que la presión de dióxido de carbono es mayor. Como resultado, el oxígeno penetra en el organismo por difusión (a favor del gradiente de presiones) y el dióxido de carbono sale por el mismo sistema. La respiración de las plantas y las esponjas utiliza un mecanismo muy parecido. Pero, en los seres multicelulares como el hombre, las células están alejadas del medio externo rico en oxígeno y por ello, la evolución ha dotado a estos organismos de sistemas capaces de transportar este gas desde la atmósfera hasta la célula, éstos son los sistemas respiratorio y cardiovascular. Sin embargo, la descripción anterior resulta demasiado simplista para entender

10 todo el fenómeno. Se trata de un proceso que inicia en la atmósfera, donde el oxigeno esta regido por las leyes de los gases, continúa a nivel alveolar donde debe mezclarse con el vapor de agua y el dióxido de carbono; luego el oxígeno debe atravesar la barrera alvéolo capilar cuyas características también determinan la facilidad del tránsito a través suyo, posteriormente debe viajar disuelto en la sangre y unido a la hemoglobina impulsado por la fuerza del corazón en cada contracción y finalmente debe atravesar la membrana celular para ser utilizado por la mitocondria en la síntesis de ATP. Todo este proceso esta regido por un principio común: la difusión del oxígeno desde un sitio de mayor presión hasta uno de menor presión. Así, la presión de oxígeno irá disminuyendo progresivamente en su recorrido desde la atmósfera hasta la mitocondria. En los siguientes párrafos se hará una descripción detallada de cada uno de los acontecimientos durante el viaje de una molécula de oxígeno desde la atmósfera hasta la mitocondria EL OXÍGENO EN EL GAS ATMOSFÉRICO: La atmósfera terrestre está compuesta por moléculas de gas que tienen masa y son atraídas hacia el centro de la tierra por la gravedad. En la superficie terrestre y a nivel del mar, las moléculas de gas atmosférico ejercen una presión suficiente para elevar una columna de mercurio a 760 mm de altura. Esta es la presión atmosférica a nivel del mar. La presión atmosférica total resulta de la suma de las presiones individuales de cada uno de los gases que conforman la atmósfera. Este fenómeno se entiende a través de la ley de Dalton que establece que en una mezcla de gases la presión total es igual a la suma de las presiones parciales de cada componente de la mezcla. El aire ambiente (aire atmosférico) es una mezcla de gases compuesta de un 20,84% de Oxígeno, un 78,62% de Nitrógeno, 0,04% de dióxido de carbono y un 0.5% de vapor de agua. La concentración de vapor de agua y de dióxido de carbono es tan baja que se desprecian, de manera que podemos considerar la composición atmosférica como 21% de Oxígeno y 79% de Nitrógeno. Si aplicamos la ley de Dalton a las moléculas que componen la atmósfera encontramos que la presión parcial de oxígeno al nivel del mar será el 21% de 760 mm Hg, es decir, 159,6 mm Hg y la presión parcial de Nitrógeno el 79% de 760 mm Hg, o sea, 600,4 mm Hg. Para fines prácticos seguiremos trabajando con los valores aproximados de estos resultados, 160 mm de Hg para el Oxígeno y 600 mm Hg para el Nitrógeno. Observe que la suma de las presiones parciales de estos dos gases es igual a la presión atmosférica total. A medida que se asciende por arriba del nivel del mar, la columna de aire por encima de la superficie terrestre será más pequeña y la presión atmosférica resultante será menor (las presiones parciales de los gases atmosféricos descenderán de manera proporcional). Así, la presión atmosférica y la presión parcial de oxígeno pasarán de 760 mm Hg y 160 mm Hg a nivel del mar a 674 mm Hg y 141 mm Hg a los 1000 metros, 405 mm Hg y 85 mm Hg a los 5000 metros y a 198 mm Hg y 41 mm Hg a los metros por encima del nivel del mar, respectivamente. Note la importante caída que sufre la presión parcial de oxigeno cuando pasamos desde el nivel del mar hasta los 5000 metros de altura. En estas condiciones, la

11 disponibilidad de oxígeno es menor y el sistema respiratorio y cardiovascular tendrán que adaptarse para trabajar en una situación desfavorable. Recuerde que la entrada de gas es un fenómeno que obedece a la diferencia de presiones entre la atmósfera y el alvéolo, por lo tanto, la caída de la presión parcial de oxígeno con la altura hace que ingrese menos cantidad del mismo al alvéolo con cada inspiración; esto se compensa en condiciones normales aumentado la frecuencia respiratoria. Cuando se administra oxígeno al 100% con fines terapéuticos, cambiamos la composición de la atmósfera que respira el paciente, y entonces, la presión de Oxígeno inspirado será de 760 mm Hg (a nivel del mar). Esto aumentará el gradiente de presiones para la difusión de oxígeno desde el alvéolo hasta la sangre, explicando su efecto terapéutico en algunas circunstancias de hipoxia EL OXÍGENO EN EL GAS ALVEOLAR: Como vimos, el gas atmosférico es pobre en vapor de agua y dióxido de carbono, sin embargo, en su trayecto desde el medio ambiente hasta el alvéolo se mezclará con los gases que normalmente se encuentran en las vías aéreas: vapor de agua y dióxido de carbono. A pesar de ello, la presión del gas alveolar será siempre igual a la presión atmosférica, es decir, 760 mm de Hg si nos encontramos a nivel del mar o 405 mm Hg a los 5000 metros de altitud. La ganancia de vapor de agua en el gas alveolar se debe a la humidificación del aire seco durante su tránsito por las vías aéreas superiores, alcanzando una presión de 47 mm Hg a nivel alveolar. Por otro lado, el aumento en la presión de dióxido de carbono se explica por su paso desde la sangre hacia el alvéolo a favor de su gradiente de presión; Debido a su alta solubilidad la presión de dióxido de carbono en el aire alveolar (PACO 2 ) se equilibra rápidamente con la sanguínea (PaCO 2 ). Así, PACO 2 = PaCO 2. El valor normal de ambas presiones a nivel del mar es de 40 mm Hg. Debido a que la presión de una mezcla de gas es igual a la sumatoria de las presiones de los gases que lo conforma (ley de Dalton) y teniendo en cuenta que la presión atmosférica y alveolar son iguales, la aparición de vapor de agua y dióxido de carbono en el gas alveolar determinan una disminución en la presión de oxígeno a dicho nivel (ver tabla). Por lo tanto, la difusión de oxígeno entre el alvéolo y la sangre se establece por la presión que este gas ejerce en el alvéolo y no en la atmósfera. Para calcular la presión alveolar de oxígeno (PAO 2 ) se agrupan los factores que la determinan en la siguiente ecuación: PAO 2 = (PB PH 2 O) x FIO 2 PaCO 2. Donde PAO 2 es la presión alveolar de oxígeno, PB la presión atmosférica, PH 2 O, la presión de vapor de agua en el alvéolo, FIO 2 la fracción de oxígeno en el gas inspirado y PaCO 2 la presión arterial de dióxido de carbono Así, a nivel del mar el valor de la PACO 2 es:

12 PAO 2 = (760 47) x 0,21 40, es decir: 109,7 mm Hg. Si el paciente está respirando oxígeno al 100%, entonces: PAO 2 = (760-47) x 1 40, es decir: 673 mm Hg. En realidad, el gas alveolar no se renueva completamente con cada inspiración; es decir, lo hace de una manera gradual y progresiva. Esto se explica porque el aire que ingresa durante la inspiración hasta la zona de intercambio gaseoso (350 ml), se mezcla con el gas de la capacidad funcional residual (2300 ml); por lo tanto, con cada ciclo respiratorio sólo se renueva la séptima parte del gas alveolar. Este fenómeno evita aumentos o descensos bruscos en la oxigenación de los tejidos cuando la respiración se modifica temporalmente, y lo convierte en un factor de protección frente a la hipoxia. Por lo anterior, en la practica clínica cuando se administra oxigeno suplementario y se desea medir el impacto de la intervención a través del análisis de los gases en una muestra de sangre arterial, se debe esperar 20 minutos para que todo el gas alveolar sea reemplazado por esta nueva mezcla de oxígeno. PO2 PCO2 PN2 PH2O Nivel Bogotá Nivel Bogotá Nivel Bogotá Nivel Bogotá del mar del mar del mar del mar Aire , variable variable atmosférico Aire alveolar *Los valores se dan en mm de Hg.

13 LA MEMBRANA ALVEOLO CAPILAR: Aspectos estructurales de la membrana alveolo capilar: La membrana alveolo capilar es una fina capa de tejido que separa el gas alveolar de la sangre que circula alrededor de los capilares alveolares. Esta membrana esta constituida por varias capas a saber: 1. Una capa de líquido que reviste el alvéolo. 2. El epitelio alveolar constituido por células muy delgadas. 3. La membrana basal epitelial. 4. Un delgado espacio intersticial entre el epitelio alveolar y la membrana capilar. 5. La membrana basal capilar, que en muchos lugares se fusiona con la membrana basal del epitelio alveolar. 6. La membrana endotelial capilar. A pesar del gran número de capas, el espesor de la membrana respiratoria es en promedio de 0,63 micras y llega en algunos lugares a ser de tan sólo 0,2 micras. Además, la superficie total de la misma es cercana a los 160 m 2 en un adulto normal. En adición, la cantidad total de sangre que existe en los capilares pulmonares en un momento determinado es de unos 60 a 140 ml. Ahora, si se considera el espesor de la membrana y además en forma hipotética se intenta esparcir este volumen de sangre en un área de 160 m 2, se entenderá lo fácil que es para cualquier gas pasar a través de la membrana alvéolo capilar. Los glóbulos rojos entran en estrecho contacto con las paredes de los capilares pulmonares, pues el diámetro de los primeros es de 7,5 micras mientras el de los segundos es de 8 micras. En consecuencia, el oxígeno y el dióxido de carbono no necesitan atravesar el plasma cuando difunden entre el eritrocito y el alvéolo y la velocidad de difusión es mayor.

14 Difusión del oxígeno a través de la membrana alveolo capilar: El movimiento de un gas a través de una membrana semipermeable se denomina DIFUSIÓN. La difusión ocurre en respuesta a diferencias (gradientes) de presión: el gas pasa desde el punto de mayor presión hacia el de menor presión hasta lograr un equilibrio a cada lado de la membrana. Sin embargo, para que la difusión ocurra debe existir una fuente de energía que es proporcionada por el movimiento cinético de las moléculas del gas. Este movimiento continuo hace que las moléculas impacten unas con otras ejerciendo una determinada presión según el volumen o recipiente en el que estén contenidas (ley de Boyle). En consecuencia, las moléculas serán impulsadas desde el sitio de mayor presión o colisión hacia el de menor presión. Además, la velocidad de difusión dependerá de la magnitud del gradiente de presión; cuanto mayor sea el gradiente, más rápida será la difusión. En condiciones normales el gradiente de presión para la difusión de oxígeno en un sujeto respirando aire y a nivel del mar es de unos 65 mm Hg, porque a nivel alveolar la PAO 2 es aproximadamente de 105 mm Hg y la PaO 2 de 40 mm Hg. El paso del oxígeno a través de la membrana alveolo capilar hace que éste gas pase de un ambiente gaseoso (alvéolo) a uno líquido (sangre). El gas en la sangre también ejercerá una presión parcial, pues las moléculas de oxígeno seguirán su movimiento al azar por su energía cinética de igual manera a como lo hacen en la fase gaseosa. Esta presión estará determinada por el número de moléculas (cantidad de gas) y por el grado de solubilidad del gas en el líquido (coeficiente de solubilidad). Es decir, algunos tipos de moléculas, especialmente el dióxido de carbono, son atraídas física o químicamente por las moléculas de agua, mientras que otras son repelidas. Así, cuando existe atracción se disolverán muchas más moléculas sin provocar un aumento excesivo de la presión de la solución (dióxido de carbono). Por otra parte, en el caso de las moléculas repelidas, muchas menos moléculas disueltas desarrollarán una gran presión (oxígeno). Este fenómeno puede explicarse mediante la ley de Henry que se sintetiza en la siguiente fórmula: Presión = Concentración del gas disuelto/coeficiente de solubilidad. La tabla x muestra los coeficientes de solubilidad en agua a temperatura corporal de los gases respiratorios más importantes. Note que el dióxido de carbono es 23,75 veces más soluble que el oxígeno y que éste a su vez es más soluble que los otros tres gases. Gas. Coeficiente de solubilidad Oxígeno. 0,024 Dióxido de carbono. 0,57 Monóxido de carbono. 0,018 Nitrógeno. 0,012 Helio Además del gradiente de presión y del coeficiente de solubilidad del gas en agua, otros factores afectan la difusión de los gases a través de la membrana alvéolo capilar, ellos son:

15 1. El área de sección transversal de la membrana. 2. La distancia a través de la cual debe difundir el gas. 3. El peso molecular del gas. 4. La temperatura, que en el cuerpo es constante y por lo tanto no es necesario tenerla en cuenta. En consecuencia, entre más grande sea el área para la difusión y más corta la distancia del recorrido, mayor será la difusión del gas y entre menos peso molecular tenga la molécula mayor será su movimiento cinético y más fácil su difusión. Todos estos factores pueden expresarse en una sola fórmula: D = P x A x S/ d x MW. Donde D = Velocidad de difusión, P es la diferencia de presión entre los dos extremos de la membrana, A es el área transversal de la membrana, S es el coeficiente de solubilidad, d la distancia de difusión (espesor de la membrana) y MW el peso molecular del gas. De acuerdo con esta ecuación las características del gas brinda dos de los factores de la fórmula: solubilidad y peso molecular, que en conjunto se denominan coeficiente de difusión del gas. (coeficiente de difusión = S/ MW). La siguiente tabla muestra los coeficientes de difusión de los gases respiratorios. Gas Coeficiente de difusión Oxigeno. 1 Dióxido de carbono 20,3 Monóxido de carbono 0.81 Nitrógeno 0.53 helio 0.95 El volumen de oxígeno que atravesará la membrana alveolo capilar, estando el sujeto en reposo es de 21 ml de Oxígeno por minuto por cada mm Hg de gradiente de presión. Este es la llamada capacidad de difusión del oxígeno a través de la membrana alveolo capilar. Así, en el caso hipotético de que exista un gradiente de presión para el oxígeno de 10 mm Hg a cada lado de la membrana, podrán pasar 210 ml de este gas en un minuto.

16 Es importante resaltar el papel de la inspiración y espiración para el paso de oxígeno a través de la membrana alvéolo capilar. Durante la inspiración, el oxígeno atmosférico ingresa hasta el alvéolo para ponerse en contacto con el área de difusión, sin embargo, debido a su baja solubilidad el proceso de difusión por la membrana se presenta principalmente durante la fase espiratoria del ciclo respiratorio. Finalmente, durante el flujo sanguíneo pulmonar normal la sangre logra cargarse con oxígeno cuando ha transitado tan solo la tercera parte de la longitud del capilar pulmonar. Dicho de otra manera, la sangre permanece normalmente en el pulmón un tiempo tres veces mayor del necesario para lograr una oxigenación adecuada. Esto se convierte en un mecanismo de protección frente a la hipoxia pudiendo aprovechar en ciertas situaciones toda la longitud del capilar. Por ejemplo, el rápido flujo sanguíneo pulmonar durante el ejercicio, deja poco tiempo para la difusión del oxígeno. Entonces, el proceso de difusión se realiza en toda la extensión del capilar lográndose una oxigenación adecuada Efecto de la Relación ventilación/perfusión sobre la oxigenación arterial: En condiciones ideales, todos los alvéolos serán ventilados y todos los capilares pulmonares perfundidos, sin embargo, y como se explicó al principio de este capítulo, tanto la entrada de aire a los alvéolos como la irrigación de los capilares pulmonares están sujetos a los efectos gravitacionales, siendo menor en los ápices y mayor en las bases pulmonares cuando el sujeto está erguido. A pesar de ello, se mantiene una relación paralela y constante entre la irrigación y la ventilación alveolar, de tal manera que no se desvíe flujo sanguíneo hacia los alvéolos que no pueden participar del intercambio gaseoso.

17 Esta relación entre la ventilación y la perfusión pulmonar se expresa mediante el siguiente símbolo: V/Q, donde V es la ventilación alveolar en un minuto y Q el flujo sanguíneo pulmonar en un minuto. Para conocer el valor normal de la relación V/Q es necesario saber los valores normales de la ventilación alveolar y del flujo sanguíneo pulmonar en un minuto. La ventilación alveolar en un minuto es el producto de la ventilación alveolar (350 ml) por la frecuencia respiratoria en un minuto (12), es decir 4200 ml. El flujo sanguíneo pulmonar es igual al gasto cardiaco, el cual es el producto del volumen latido (70 ml) y la frecuencia cardiaca por minuto (72 x min), es decir, 5000 ml por minuto. Ahora sólo queda reemplazar los valores en la fórmula así: V/Q = 4200/5000, entonces, V/Q = 0,8. En conclusión, cuando existe un acople adecuado entre la ventilación y la perfusión pulmonar, la relación resultante será muy cercana a 1. Sin embargo, en algunas condiciones la ventilación alveolar estará disminuida y el valor de V/Q próximo al cero. En otras, la ventilación será normal pero el flujo sanguíneo bajo, luego el valor de V/Q será mucho mayor de 1. Con base en lo anterior, algunos autores han establecido cuatro estados fisiológicos posibles en la relación V/Q. Tales estados se fundamentan en el funcionamiento de la unidad respiratoria básica, o sea el alvéolo con su capilar pulmonar, ellos son: a. Unidad normal: Donde la perfusión y ventilación alveolar son normales. (V/Q = 1) b. Unidad de espacio muerto: Aquí, el alvéolo ventila pero no es prefundido. Esto produce un desperdicio del proceso respiratorio, pues el aire alveolar no difunde hacia la sangre. El volumen de aire de este alvéolo pasa a aumentar el volumen de aire del espacio muerto. (V/Q > 1) c. Unidad con shunt: está formada por un alvéolo colapsado u obstruido con una perfusión normal. Aquí, la sangre pasará por un alveolo sin gas y saldrá hacia la circulación sistémica sin haberse oxigenado. En cierta forma se puede expresar que la sangre pasa por un atajo, o por un puente; es decir, se desvía sin ponerse en contacto con el ambiente que le facilita la toma de oxigeno. Esta situación es grave ya que la administración de oxígeno no soluciona el problema, pues la sangre no podrá ponerse en contacto nunca con este gas. (V/Q < 1). d. Unidad no funcional o silenciosa: en ella el alveolo está colapsado, sin ventilación y tampoco tiene perfusión. El 98% de la sangre pasa por los capilares alveolares donde es oxigenada hasta una PaO2 de 100 mm Hg. Como puede verse, la presión sanguínea de oxígeno no alcanza a igualar a la presión alveolar del mismo (105 mm Hg). La razón para esta diferencia es la baja solubilidad de este gas. El 2% de sangre restante no es oxigenada, ya que pasa por la circulación bronquial que irriga el espacio muerto anatómico. Por lo tanto, este 2% representa un flujo de sangre desviado de la zona de intercambio gaseoso conocido con el nombre de Shunt intrapulmonar anatómico. Esta sangre no oxigenada tendrá una presión arterial de oxígeno igual a la venosa de 40 mm Hg. Luego, al salir del pulmón la sangre oxigenada con 100 mm Hg (98%) y la sangre desviada con 40 mm Hg (2%) se mezclan y finalmente la sangre que llega a la aurícula

18 izquierda tiene una presión de oxígeno de 95 mm Hg. Esta es la presión de Oxígeno que genera gradiente de presión para la difusión hacia las células. Finalmente, si comparamos la PAO 2 de 105 mm Hg con la PaO 2 de 95 mm Hg encontramos una diferencia de 10 mm Hg, esta es la diferencia alvéolo arterial de oxígeno normal, que como vimos es explicada por la baja solubilidad del oxígeno y el shunt intrapulmonar anatómico. Esta diferencia se puede calcular con la siguiente ecuación: D(A-a)O 2 = PAO 2 PaO 2, luego, D(A-a)O 2 = = 10 mm Hg TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA SANGRE: Luego de pasar la membrana alvéolo capilar el oxígeno es transportado hacia los tejidos de dos formas que sumadas representan el contenido total de oxígeno en la sangre. a. El 98% del oxígeno es transportado en combinación química con la hemoglobina de los glóbulos rojos. b. El 2% restante es transportado disuelto en el agua del plasma y de las células. Debido a su poca solubilidad en agua sólo una pequeña proporción de oxígeno viaja disuelto, sin embargo, esta pequeña cantidad es la que produce la presión parcial de este gas en la sangre. El oxígeno mezclado con la hemoglobina no ejerce presión parcial Transporte de oxígeno por la hemoglobina: La concentración normal de hemoglobina del adulto (HbA) oscila entre 12 y 16 gr por cada 100 ml de sangre y cada gramo de hemoglobina tiene la capacidad de transportar 1,34 ml de oxígeno. La razón para este excelente desempeño de la hemoglobina en cuanto al transporte de oxígeno se refiere yace en su estructura química Estructura química de la Hemoglobina: La hemoglobina es una proteína que resulta de la unión de cuatro moléculas de hem y una molécula de globina. A continuación se describen cada uno de sus dos componentes.

19 Molécula hem: La molécula de hem resulta de la unión de un ión ferroso con una molécula de porfirina. La porfirina es una estructura conformada por cuatro anillos pirrol unidos a través de puentes de metileno. Esta estructura deja un átomo de nitrógeno libre en cada anillo de pirrol capaz de formar enlace covalente con un metal. Es decir, quedan 4 átomos de nitrógeno libres en cada molécula de porfirina con esta facultad. El ión ferroso es un metal que tiene en su órbita externa 6 electrones disponibles para formar enlaces covalentes. Un ión ferroso se combina con una molécula de porfirina por medio de uniones covalentes con los 4 átomos de nitrógeno que están libres (uno por cada anillo pirrol), formando una molécula de Hem. Note que aún quedan disponibles dos electrones en el ión ferroso para enlace covalente; éstos son usados para unirse a una de las cuatro cadenas polipeptídicas de la molécula de globina como se verá enseguida Globina: La globina es una proteína formada por la unión de cuatro cadenas polipeptídicas, dos alfa y dos beta, cada una de éstas con dos átomos de nitrógeno libres, uno en cada extremo. Es decir, la proteína de globina tiene 8 átomos de nitrógeno libres para formar enlaces covalentes.

20 Los dos extremos de cada cadena polipeptídica forman enlaces covalentes con los dos electrones libres de cada ión ferroso, de esta manera cada cadena se une con un grupo hem. Uno de estos sitios de unión entre el hierro y la cadena polipeptídica es capaz de combinarse reversiblemente con el oxígeno. Al existir cuatro cadenas polipeptídicas en una molécula de globina, ésta se unirá con cuatro grupos hem para constituir la molécula de hemoglobina. Con base en lo anterior se deduce que una molécula de hemoglobina puede transportar 4 átomos de oxígeno En resumen: 4 pirroles forman una porfirina. 1 porfirina más 1 ión ferroso forman 1 molécula de hem. 2 cadenas alfa + 2 cadenas beta forman una molécula de globina. 4 porfirinas + 1 globina forman la Hemoglobina. Un solo glóbulo rojo contiene 280 millones de moléculas de hemoglobina; si considera los 5 millones de eritrocitos que tiene un adulto promedio y los 4 átomos de oxígeno que puede transportar cada molécula de hemoglobina, encontrará que en un momento determinado este sistema transporta millones de moléculas de este gas o dicho de otra manera, 1000 ml de oxígeno. No cabe duda de la importancia de la hemoglobina para el transporte de oxígeno en los seres humanos Variantes de la hemoglobina: Algunas variantes normales de la molécula de hemoglobina humana adulta (HbA) tienen relevancia clínica por lo que se discutirán a continuación: a. Hemoglobina fetal (HbF): Al nacer, cerca del 85% de la hemoglobina está conformada por moléculas de globina formada por dos cadenas alfa y dos gamma. Las cadenas gamma aumentan la afinidad de la molécula de hemoglobina por el oxígeno. Esta propiedad de la HbF hace que capture muy bien el oxígeno desde el alvéolo pero a su vez hace que su entrega a los tejidos periféricos no sea tan eficiente. b. Carboxihemoglobina: la hemoglobina es 200 a 250 veces más afín por el monóxido de carbono que por el oxígeno. El monóxido de carbono forma enlaces covalentes con el ión ferroso imposibilitando la unión de los grupos hem con el oxígeno. Sin embargo, la afinidad de la hemoglobina por estos gases está determinada por las presiones parciales de los mismos en la sangre, así, al aumentar la PaO 2 disminuye la afinidad de la hemoglobina por el monóxido de carbono; por tal razón, la administración suplementaria de oxígeno en la intoxicación con monóxido de carbono constituye una excelente alternativa Curva de disociación de la hemoglobina: Al difundir por la membrana alvéolo capilar el oxígeno puede unirse a la hemoglobina o quedar disuelto en la sangre. Al inicio, la mayor parte del gas se une a la hemoglobina hasta saturar su capacidad de transporte completamente y tan sólo una pequeña proporción del oxígeno queda

21 disuelto en la sangre. Sin embargo, a partir de este momento la fracción de oxígeno disuelto aumenta progresivamente pues el oxígeno no encontrará sitio de unión disponible con la hemoglobina. Recuerde que la fracción de oxígeno disuelto es quien determina la presión sanguínea de este gas, por tal motivo, el aumento del oxigeno disuelto produce un aumento progresivo de la presión sanguínea de este gas hasta que finalmente se equilibra con la presión alveolar de oxígeno y se detiene la difusión entre el alvéolo y la sangre. De acuerdo con lo anterior existe una relación entre la saturación de la hemoglobina y la presión sanguínea de oxígeno. Esta relación se puede graficar comparando el porcentaje de saturación de la hemoglobina en el eje vertical (eje y) con la presión sanguínea de oxígeno en el eje horizontal (eje X). La curva resultante es conocida como curva de disociación de la hemoglobina o curva de Severinghaus. Como puede verse la curva tiene dos porciones, una empinada y otra plana, ambas son el reflejo de las diferencias en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno a medida que la presión sanguínea de este cambia. El inicio de la curva representa la exposición inicial de la sangre a la PAO 2, momento en el cual la saturación de hemoglobina aumenta vertiginosamente mientras que la presión sanguínea de oxígeno lo hace poco; esto produce la parte empinada de la curva, en esta parte cuando la saturación alcanza el 50% existe una presión de oxígeno de 27 mm Hg, este es la llamada P50. Luego, al alcanzar una saturación del 90% la curva toma una forma plana, porque a partir de esta saturación la presión de oxígeno aumenta significativamente mientras que la saturación de hemoglobina lo hace en mucha menor proporción. La explicación de estos fenómenos es la alta afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, lo que hace que inicialmente esta sea la forma preferida para su transporte; después, cuando está casi completamente cargada, la hemoglobina deja pocos sitios para la fijación del oxígeno y este difundirá preferiblemente hacia el plasma aumentado la presión sanguínea del gas.

22 A nivel del mar la presión venosa de oxígeno es de 40 mm Hg lo que de acuerdo con la curva equivale a una saturación de hemoglobina del 75%. Por otra parte la presión arterial de oxígeno es cercana a los 100 mm Hg lo que produce una saturación de hemoglobina del 97% Desviación de la curva de hemoglobina: La curva de disociación de hemoglobina anterior es la de la sangre normal, donde la P50 es de 27 mm Hg. Sin embargo, diversos factores como el ph sanguíneo, el dióxido de carbono, la temperatura y el 2,3 difosfoglicerato pueden desplazar esta curva en una u otra dirección, cambiando el valor de la P50. Si la curva se desvía hacia la izquierda la P50 disminuye, esto significa que con menores presiones sanguíneas de oxígeno se alcanza una mayor saturación de la hemoglobina que en condiciones normales. Esto resulta en un aumento del contenido total de oxígeno sanguíneo (ver figura). Sin embargo, esta mayor afinidad de la hemoglobina por el oxígeno hace que la entrega a los tejidos periféricos esté reducida. Los factores que desplazan la curva de disociación de la hemoglobina hacia la izquierda son: La alcalosis, la hipotermia, la disminución de la presión sanguínea de dióxido de carbono y el descenso del 2,3 difosfoglicerato (DPG). Un trastorno que desvía la curva de disociación hacia la izquierda es la presencia en la sangre de grandes cantidades de hemoglobina fetal (HbF), tipo de hemoglobina que se presenta normalmente en el feto antes del nacimiento. Este efecto tiene importancia para la liberación de oxígeno hacia los tejidos fetales bajo las condiciones hipóxicas en las que vive el feto. Si la curva se desvía a la derecha la P50 aumenta, lo anterior resulta en una menor saturación de la hemoglobina con una determinada presión sanguínea de oxígeno. Así, el contenido total de oxígeno en la sangre disminuye. Esta menor afinidad de la hemoglobina por el oxígeno produce una mejor entrega del mismo a los tejidos. Los factores que desvían la curva de disociación de la hemoglobina hacia la derecha son: la acidosis, la hipercapnia y el aumento de la temperatura y del 2,3 DPG.

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