Biofísica de la Respiración. Matías Enrique Puello Chamorro

Biofísica de la Respiración Matías Enrique Puello Chamorro www.matiaspuello.wordpress.com 10 de octubre de 2014

Índice 1. INTRODUCCIÓN 4 2. BREVE RESEÑA ANATOMICA 5 2.1. Vias respiratorias............................................... 5 2.2. Alveolos..................................................... 6 2.3. Estructura osteo muscular......................................... 7 3. MECANICA RESPIRATORIA 8 3.1. Elasticidad pulmonar............................................. 9 3.2. Presiones en el árbol respiratorio..................................... 11 3.3. Volúmenes del aire en la respiración................................... 13 4. DINAMICA DE LA RESPIRACION 15 4.1. Ventilacion pulmonar............................................... 15 4.2. Frecuencia volumen minuto.......................................... 16 4.3. Trabajo respiratorio............................................... 17 4.4. Difusión de los Gases............................................... 18 4.5. La ley de Dalton................................................. 19 4.6. Presión parcial.................................................. 20 4.7. Ley de Henry................................................... 21 4.8. Ley de Boyle y Mariotte............................................ 22 4.9. Ley de Charles.................................................. 23 4.10. Ley de Gay Lussac................................................ 24 4.11. Ley de Avogadro................................................. 25 4.12. Ley de los Gases Ideales............................................. 26 4.13. Composición del aire atmosférico........................................ 27

4.14. Eliminación de vapor de H 2 O.......................................... 29 4.15. Presiones parciales de los gases en la sangre.................................. 30 4.16. Intercambio gaseoso............................................... 31 4.17. Efectos de la hipo - presión........................................... 33 4.18. Descompresión rapida.............................................. 34 4.19. Enfermedad de los buzos............................................. 35 4.20. Papel de la hemoglobina en la respiración................................... 37 4.21. Vuelo a gran altura................................................ 38 4.22. Aclimatación de la altura............................................ 39

1. INTRODUCCIÓN Normalmente con el término respiración se define el intercambio de gases entre el medio ambiente externo y el medio interno. Sin embargo, bajo esta definición tan simple se incluye no solamente el movimiento de aire entre el interior y exterior de los pulmones, sino también el paso de los mismos del interior pulmonar a la sangre; el transporte mediante la vía sanguínea hasta las células y su posterior difusión a través de las membranas celulares. Todos estos pasos permiten a las células el consumo de O 2 y la liberación de CO 2. Desde un punto de vista más limitado, como es el celular, la respiración (o respiración celular) se refiere al metabolismo oxidativo (oxidación de nutrientes) para la generación de energía metabólica; y en este proceso es dónde se consume el oxígeno y se forma anhídrido carbónico. Para poder realizar todas las funciones descritas se requiere la participación de otros aparatos además del respiratorio. Así el aparato cardiovascular o la sangre son piezas tan importantes e imprescindibles como el propio aparato respiratorio. En esta oportunidad se estudiaran las leyes físicas y químicas que estan involucradas en el proceso de la respiración

2. BREVE RESEÑA ANATOMICA Desde el punto de vista de la biofísica el sistema respiratorio está compuesto de tres partes funcionalmente diferentes: 2.1. Vias respiratorias Están constituidas por un conjunto de vías aéreas por donde entra y sale el aire que circula en los pulmones.

2.2. Alveolos Son cavidades de aproximadamente 10 2 cm de radio en donde se produce el intercambio de gases entre la sangre y el aire. Su función es entregar oxigeno a la sangre y recoger de ella dióxido de carbono CO 2.

2.3. Estructura osteo muscular Constituida por la caja torácica y los músculos respiratorios, tienen por objeto producir los movimientos necesarios para permitir la libre circulación de los gases modificando el volumen de la caja torácica durante la respiración.

3. MECANICA RESPIRATORIA Los pulmones están situados en un compartimiento cerrado que es la cavidad torácica o tórax. La caja torácica está formada por las costillas, la columna vertebral torácica situada posteriormente y en el plano anterior por el esternón. La parte superior está cerrada por músculos y tejido conectivo y la parte inferior por el diafragma. En la línea media y separados a través de membranas se encuentra el corazón, los grandes vasos y el esófago, manteniéndose separados los dos pulmones. El movimiento de la caja torácica y la elasticidad de los pulmones producen las variaciones de presión y volumen necesarias para la circulación del aire.

3.1. Elasticidad pulmonar COMPLIANCIA O DISTENSIBILIDAD: (L) La facilidad con que un o rgano puede ser deformado recibe el nombre de distensibilidad o complianza (del ingle s compliance), y se define como el cambio de volumen respecto al cambio de presio n. L= V P Valor normal: 200 cmml. H2 O La compliance depende de las fuerzas ela sticas producidas por: 1 La elasticidad pulmonar (fibras de elastina y cola geno) 2 La tensio n superficial de los alve olos (sustancia surfactante)

Variación de la compliance en diferentes estados patológicos

3.2. Presiones en el árbol respiratorio Hay cuatro presiones en el aparato respiratorio que han de ser consideradas a la hora de analizar los movimientos respiratorios: 1 Presión bucal o atmosférica. Corresponde a la del aire en la atmósfera. 2 Presión alveolar o intrapulmonar. Es la presión del aire contenido en los alvéolos. 3 Presión pleural o intrapleural. Es la presión que se mide entre las dos hojas de la pleura. Debido a las propiedades elásticas de pulmón y tórax que traccionan en sentidos opuestos, el pulmón hacia adentro y el tórax hacia fuera, se genera una presión intrapleural negativa. 4 Presión transpulmonar. Es una de las presiones transmurales que puede medirse en el aparato respiratorio. Corresponde a la diferencia entre la presión alveolar menos la presión pleural. Estas presiones se modifican a lo largo del ciclo respiratorio.

Presión Pleural y Presión Alveolar

3.3. Volúmenes del aire en la respiración Durante el proceso de la respiración normal entran y salen aproximadamente 500 cm 3 de aire (aire corriente) o volumen de aire corriente. V ac = 500 Cm 3 150 cm 3 del aire corriente corresponden a aire del espacio muerto, después de una inspiración normal se puede introducir mediante una inspiración forzada hasta 1500 Cm 3 de aire aproximadamente (aire complementario). V acp = 1500 Cm 3

Volúmenes del aire en la respiración Después de una espiración normal se puede expulsar mediante una espiración forzada hasta 1500 Cm 3 de aire aproximadamente (aire reserva). V are = 1500 Cm 3 Luego de una espiración forzada se observa aun la presencia de aire en los pulmones y para eliminarlo es necesario abrir la caja torácica y comprimir los pulmones expulsando cerca de 1500 Cm 3 de aire (aire residual). V ard = 1500 Cm 3 La capacidad vital de los pulmones es la suma del aire complementario, aire corriente, aire reserva y aire residual.

4. DINAMICA DE LA RESPIRACION 4.1. Ventilacion pulmonar Se denomina así a la entrada y salida de aire que se realiza permanentemente durante la respiración, la eficiencia de la ventilación pulmonar se mide con el coeficiente de ventilación que es la relación entre el volumen de aire corriente y el volumen total de los pulmones. V = Volumen total de los pulmones C v = Coeficiente de ventilación pulmonar. V acr = volumen de aire corriente. C v = V acr V C v es adimensional (no tiene unidades)

4.2. Frecuencia volumen minuto La frecuencia volumen minuto, no es más que el caudal (C) o flujo expresado en ( L min). La frecuencia con que se produce la respiración durante un minuto oscila entre 12 y 16 veces aproximadamente, entonces el volumen total de aire que circula en las vías respiratorias durante un minuto se le denomina volumen minuto respiratorio y es aproximadamente 6 a 8 litros de aire. C = V ν Donde V = 500 cm 3 (volumen de aire en cada inspiración) (ν) es la frecuencia de la respiración (De 12 a 16 veces por minutos) C = 500 cm 3 12 ( veces min C = 500 cm 3 16 ( veces min ) ( ) = 6000 cm 3 min ) ( ) = 8000 cm 3 min = 6 ( ) L min = 8 ( ) L min

4.3. Trabajo respiratorio Durante el proceso de la respiración los músculos respiratorios realizan un trabajo utilizado para vencer la elasticidad de los pulmones y de las paredes de la jaula torácica. Así mismo este trabajo es realizado para hacer circular el aire a través de las diferentes vías respiratorias en especial en los conductos estrechos que ofrecen mayor resistencia periférica, parte del trabajo se pierde debido al rozamiento por deformaciones y movimientos de los órganos; en situaciones patológicas este trabajo aumenta.

4.4. Difusión de los Gases Al estudiar la difusión de los gases a través de la Membrana Alvéolo - Capilar. Se requiere conocer las Leyes de los Gases y Parámetros físicos que involucran: 1 Ley de Dalton 2 Presión Parcial 3 Ley de Henry 4 Ley de Boyle Mariotte 5 Ley de Charles 6 Ley de Gay Lussac 7 Ley de Avogadro 1 Presión 2 Temperatura 3 Volumen 4 Humedad (Vapor de Agua) 5 Permeabilidad de la membrana

4.5. La ley de Dalton Esta ley explica la presión en una mezcla de gases como el aire, esta ley sostiene que cuando se mezclan dos o más gases diferentes, cada uno de ellos actúa como si fuera el único gas presente, ejerciendo su propia presión, la presión total de la mezcla es la suma de todas las presiones parciales de cada uno de los gases. P = P 1 + P 2 + P 3 +...P n

4.6. Presión parcial Llamamos presión parcial de un gas en una mezcla de gases, a la presión que tendría ese gas si estuviera solo en el recipiente de la mezcla y en las mismas condiciones de (P y T ). La presión parcial de un gas cualquiera se puede determinar por la expresión P pa = χ A P T otal ; Donde χ A χ A = Fracción molar o fracción volumen. = n A n = V A V n A = Número de moles del gas particular n = Número de moles del gas total = volumen parcial V = volumen total. V A

4.7. Ley de Henry La ley de Henry sostiene que si la temperatura de un gas permanece constante (K), la cantidad del gas que se disuelve en un líquido dado es proporcional a la presión parcial del gas. V x = K x P x K x (constante de solubilidad del gas x) es el volumen de gas que se disuelve en un cm 3 de líquido. Ejemplo Volumen disuelto de O 2 en el plasma sanguíneo En el plasma sanguíneo y a 37 o C y 760 mmhg, tenemos: K O2 = 0,023 cm 3 de O 2 K cm 3 de plasma 1 mmhg CO2 = 0,546 cm 3 de CO 2 K cm 3 de plasma 1 mmhg N2 = 0,013 cm 3 de N 2 cm 3 de plasma 1 mmhg %V O2 disuelto = [ 0, 023 cm 3 O 2 cm 3 plasma 760 mmhg ] 100 mmhg 100 = 0, 3 %

4.8. Ley de Boyle y Mariotte A temperatura constante, el volumen de una mezcla gaseosa es inversamente proporcional a la presión. Es decir, p V = k donde k es una constante Ejemplo fisiológico: Ventilación Pulmonar

4.9. Ley de Charles A presión constante, el volumen de una mezcla gaseosa es proporcional a la temperatura del gas, expresada en la escala Absoluta o de Kelvin. Es decir, V = k T donde k es una constante Ejemplo fisiológico: Al inspirar, el aire frío se calienta a 37 C y su expansion contribuye al llenado pulmonar. Por ejemplo 500 cm 3 273 K = V 2 310 K, Resolviendo se tiene que V 2 = 568 cm 3

4.10. Ley de Gay Lussac A volumen constante, la presión ejercida por una mezcla gaseosa es proporcional a la temperatura del gas expresada en la escala Absoluta o de Kelvin. Es decir, p = k T ; donde k es una constante

4.11. Ley de Avogadro El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad de materia (número de moles), a presión y temperatura constantes. Dicho de otra manera: en volúmenes iguales de todos los gases (ideales) medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, existen el mismo número de moléculas. V n a P y T constante V = k n Así, 1 l de cualquier gas a 273 K y 1 atm contendrá 6,023 10 23 moléculas (número de Avogadro) V molar = 22,414 l a TPN (273 o K, 1 atm)

4.12. Ley de los Gases Ideales Se define un gas ideal como aquel que cumple exactamente con todas las condiciones descritas anteriormente. Las leyes anteriores pueden combinarse en una sola ley llamada Ley de los gases ideales Aplicación p V = n R T Cierto animal de experimentación respiró normalmente del espirómetro durante un minuto, obteniéndose un volumen corriente de 0,4 L y una frecuencia respiratoria de 16 ciclos por minuto. La temperatura del laboratorio registrada fue de 25 C y una presión de 760 mmhg. Cuál fue el consumo de oxigeno por minuto?

4.13. Composición del aire atmosférico AIRE INSPIRADO. Nombre Simbolo % en volumen Presión Parcial en mmhg Oxigeno O 2 20.8 158 Nitrogeno N 2 78.5 596 Dioxido de carbono CO 2 0.04 0.3 Vapor de agua H 2 O 0.7 5.3

Composición del aire atmosférico AIRE ALVEOLAR Y AIRE ESPIRADO O 2 N 2 CO 2 H 2 O O 2 N 2 CO 2 H 2 O Aire Alveolar 13 75 5.3 6.7 100 573 40 47 Aire espirado 15 74 4.2 6.8 118 565 32 47 % en Volumen Presiones parciales mmhg

4.14. Eliminación de vapor de H 2 O AIRE INSPIRADO. Nombre Simbolo % en volumen Presión Parcial en mmhg Vapor de agua H 2 O 0.7 5.3 AIRE ESPIRADO Nombre Simbolo % en volumen Presión Parcial en mmhg Vapor de agua H 2 O 6.8 47

4.15. Presiones parciales de los gases en la sangre O 2 CO 2 N 2 H 2 O Sangre arterial 100 40 570 47 Sangre venosa 40 46 570 47 Presiones parciales en mmhg

4.16. Intercambio gaseoso Las diferencias de las presiones parciales de los gases de la sangre arterial, los gases presentes en los tejidos y la diferencia entre las presiones parciales de los gases en la sangre venosa y en el aire alveolar son los que determinan que se produzca el intercambio gaseoso. O 2 CO 2 Aire Alveolar 100 40 Sangre arterial 100 40 Sangre venosa 40 46 Presiones parciales en mmhg

Intercambio gaseoso El líquido que está dentro de la cavidad alveolar cubriendo la superficie de la pared alveolar actúa como un tenso activo disminuyendo la tensión superficial de la interfase aire - sangre. Los líquidos que así se comportan se les llaman surfactantes. El surfactante que se encuentra en los alvéolos se llama Dipalmitato de lecitina.

4.17. Efectos de la hipo - presión Las situaciones que se han descrito ocurren en una respiración normal a nivel del mar. P o = 760 mmhg, pero a medida que ascendemos la presión atmosférica disminuye produciendo trastornos o deficiencias que se manifiestan de diferentes maneras de acuerdo a las circunstancias

4.18. Descompresión rapida Se presenta cuando pasamos de la presión a nivel del mar a presiones inferiores debido a un vuelo a una altura o al ascenso rápido a una montaña. También se puede presentar en el ascenso rápido de un buzo a la superficie del agua ya que pasa de una presión superior a la del nivel del mar a la presión de este. En ambos casos los fenómenos son semejantes pero con efectos de hipo-presión diferente

4.19. Enfermedad de los buzos La presión sobre un buzo aumenta alrededor de una atmósfera por cada 10 metros de profundidad así: A 60 metros; un buzo debe respirar aire a una presión de 7 atmósferas. La presión parcial del N 2 a esta profundidad es: En el aire inspirado a 0,78 7 atmósfera = 5,5 atmósfera En el aire alveolar 0,75 7 atmósfera = 5,25 atmósfera En el aire espirado 0,74 7 atmósferas = 5,18 atmosferas Esta presión tan elevada de nitrógeno origina que éste se disuelva en la sangre y en los tejidos en proporciones tóxicas dando lugar a la denominada Narcosis del nitrógeno con síntomas de optimismo y trastorno mental semejante a los de la intoxicación alcohólica por eso se le llama también éxtasis de la profundidad.

Enfermedad de los buzos Para que un hombre pueda vivir y trabajar con seguridad a grandes profundidades debe respirar una mezcla especial de gases así: el aire se remplaza por una mezcla de 97 % de helio y un 3 % de O 2. El helio se emplea en lugar del nitrógeno para evitar la narcosis. La baja concentración de O 2 es necesaria para evitar la intoxicación por oxigeno que se produce cuando la presión de éste es elevada, la cual se presenta cuando la presión parcial de O 2 es de dos o más atmósferas en cuyo caso el O 2 se hace lo suficientemente tóxico como para producir convulsiones y estado de coma. Hasta que profundidad puede sumergirse un buzo sin que se produzca intoxicación por oxígeno?

4.20. Papel de la hemoglobina en la respiración La sangre contiene moléculas de hemoglobina que le da color rojo y diseñada especialmente para llevar o transportar oxígeno, en los glóbulos rojos la concentración de hemoglobina es elevada y cuando está completamente saturada cada molécula de hemoglobina lleva cuatro moléculas de O 2. CURVA DE DISOCIACION DEL O 2 PARA LA HEMOGLOBINA A 37 o C Y PH 7.4 PARA UN PULMON HUMANO NORMAL

4.21. Vuelo a gran altura A una altura de 3000 m o 10000 F eet aproximadamente la presión atmosférica es de aproximadamente 526 mmhg puesto que la presión atmosférica disminuye, también disminuirán las presiones parciales de los gases, en ella de igual manera disminuirán las presiones parciales de los gases en la respiración, así en estas condiciones la presión parcial de O 2 es de 68 mmhg y la saturación de la hemoglobina es de 90 % aproximadamente lo que significa que a 3000 m. el sistema transportador de O 2 aun trabaja en forma eficiente pero al seguir ascendiendo la presión parcial de O 2 en los alvéolos disminuye, disminuyendo así el porcentaje de saturación de la hemoglobina lo que se manifiesta en trastornos físicos por falta de O 2 agravándose la situación cuando se asciende, de tal modo que la presión parcial de O 2 en los alvéolos es cercana a 40 mmhg, o sea que pasa de 75 % de saturación de la hemoglobina. Cuando la saturación de la hemoglobina es menor del 75 % se produce o se tiene incompatibilidad con la vida.

4.22. Aclimatación de la altura Un hombre puede alcanzar mayores alturas que los que logran en un ascenso rápido siempre que tenga tiempo de adaptarse a las circunstancias desarrollando mecanismos fisiológicos tales como el aumento de la capacidad torácica, aumento de los glóbulos rojos y aumento de la hemoglobina.

Referencias [1] A.H.Cromer. Física para las ciencias de la vida Libro básico, Editorial Reverté, 1974. [2] J.D.Wilson. Física con aplicaciones. Editorial McGRAW-HILL