RESPIRACIÓN El aire es una mezcla de gases entre los cuales se encuentran principalmente el nitrógeno (78,62%), el oxígeno (20,84%), el dióxido de carbono (0,04%) y el agua (0,50%). El oxígeno es indispensable para la vida al ser el aceptor final de la cadena respiratoria ubicada en la membrana mitocondrial interna y además está vinculado en una serie de procesos patológicos denominados en conjunto estrés oxidativo. La difusión del oxígeno a los tejidos es posible gracias a una cascada de gradiente de presión, desde el aire ambiental hasta la mitocondria. A nivel del mar la presión barométrica es de 760 mm Hg y la presión parcial de oxígeno (PO 2 ) a la inspiración es de 160 mm Hg, considerando que el aire que respiran los animales contiene un 21% de oxígeno. A su paso por las vías respiratorias el aire se entibia y humedece; de éste modo la influencia de la presión de vapor de agua a nivel alveolar hace que la PO 2 disminuya a un valor de 110 mm Hg aproximadamente. A continuación, por el efecto de la PCO 2 (presión parcial de dióxido de carbono) y de la difusión a través de la membrana alveolo-capilar, la PO 2 en los capilares pulmonares es de 100 mm Hg y al llegar a la aurícula izquierda se reduce a 95 mm Hg a causa del cortocircuito anatómico. En la sangre que se transporta a los tejidos dicha presión es de 90 mm Hg y en los capilares es de 40 mm Hg. Se cree que la PO 2 intersticial es de 10-20 mm Hg, que a nivel de la membrana celular es de 10 mm Hg y en la mitocondria oscila entre 1 y 5 mm Hg. Así es como el oxígeno difunde de sitios de mayor presión a menor presión, o sea a favor del gradiente. Lo mismo pero en dirección contraria ocurre con el CO 2, que al producirse por la combustión de moléculas en el interior de las células, tiende a difundir desde tejidos hacia los pulmones y ser eliminado por la espiración del animal. Como veremos más adelante, no todo el CO 2 se elimina completamente sino que parte del mismo se utiliza en reacciones metabólicas, por ejemplo en las carboxilaciones (adición de grupos carboxilo, COO - ). Cuando el oxígeno difunde a través de la membrana alveolo-capilar, el 97% se une a la hemoglobina y el 3% restante permanece disuelto en el plasma.
Recordemos que la hemoglobina consiste en cuatro cadenas polipeptídicas y cuatro grupos hemo, estando las cuatro cadenas mantenidas juntas por atracciones no covalentes; cada cadena contiene un grupo hemo que se une al oxígeno (que participa en el intercambio de gases). PROPIEDADES GENERALES DE LOS GASES INTRODUCCIÓN La función primordial de los pulmones es intercambiar gases desde la atmósfera hasta la sangre y desde ésta hacia el aire del ambiente. La mejor manera de saber si el aparato respiratorio realiza correctamente esta función es comprobar el resultado final, es decir, determinar el oxígeno y el dióxido de carbono en la sangre arterial. Pero esta no es la verdadera necesidad biológica del organismo
"vivo". Los seres aeróbicos lo son en tanto y en cuanto el oxígeno es utilizado por las células en su metabolismo, en la misma medida que los residuos son eliminados para evitar la intoxicación. Una vez que la membrana alveolo-capilar (verdadera unidad funcional en el pulmón) ha realizado su labor de simple difusión de gases, cada uno de ellos debe alcanzar su destino, el oxígeno debe llegar hasta las mitocondrias y el CO 2 salir a la atmósfera. El paso del oxígeno desde la atmósfera hasta las mitocondrias se realiza a través de la ventilación, la distribución de gas en el pulmón (ventilación/perfusión), la difusión a través de la membrana alvéolo-capilar, el transporte por la sangre y su transferencia hacia el tejido y la célula. El CO 2 debe realizar el mismo camino pero en sentido contrario. Este deambular de los gases por los territorios respiratorio, cardiocirculatorio y sanguíneo puede expresarse en términos físicos mediante el concepto de conductancia, donde en cada lugar del trayecto, la presión parcial del gas es ligeramente inferior a su localización inmediatamente anterior. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA DE GASES La materia (todo aquello que nos rodea) puede encontrarse en tres estados de agregación que conocemos como sólido, líquido y gaseoso. Estos estados dependen fundamentalmente de las condiciones de presión y temperatura a la que la materia esté sometida. En el estado sólido los átomos o moléculas ocupan posiciones fijas aunque se encuentran vibrando en esas posiciones con una capacidad de movimiento limitada. En un líquido las fuerzas de cohesión que mantienen unidas estas moléculas es mucho menor; en este estado las moléculas tienen cierta capacidad de movimiento que está limitada en gran medida por las demás moléculas. En el estado gaseoso las moléculas se encuentran muy alejadas unas de otras y se mueven en todas direcciones con libertad absoluta. Vamos a estudiar el comportamiento de los gases y como la ciencia ha tratado de encontrar una explicación para este comportamiento
LEY DE BOYLE (LEY DE MARIOTTE) Esto quiere decir que si el volumen del contenedor aumenta, la presión en su interior disminuye y, viceversa, si el volumen del contenedor disminuye, la presión en su interior aumenta (más grande el recipiente, menor presión del gas en su interior; más pequeño el recipiente, mayor presión del gas en su interior). La ley de Boyle permite explicar la ventilación pulmonar: el aire entra en los pulmones porque la presión interna de estos es inferior a la atmosférica y por lo tanto existe un gradiente de presión. Inversamente, el aire es expulsado de los pulmones cuando estos ejercen sobre el aire contenido una presión superior a la atmosférica. Cuando aumenta la presión el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. LA LEY DE CHARLES Charles describió que el aire seco aumentaba de volumen en una forma exactamente igual al aumento de la temperatura, y que el aire húmedo aumentaba
en una forma proporcional al aumento de temperatura según un determinado coeficiente de expansión térmica del gas en cuestión. Esto quiere decir que en un recipiente flexible que se mantiene a presión constante el aumento de temperatura conlleva un aumento del volumen o, en otras palabras, lo que se conocen como Ley de Charles y Gay-Lussac. La ley de Charles se aplica en la respiración cuando el aire entra en los pulmones, generalmente más calientes que el ambiente, se expanden aumentando el volumen pulmonar. Un buen experimento para demostrar esta ley es calentar una lata con un poco de agua, al hervir el agua se sumerge en agua fría y su volumen cambia. La ley fue publicada primero por Gay Lussac en 1875, pero hacía referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de alrededor de 1787, lo que condujo a que la ley sea usualmente atribuida a Charles. La Ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente Ley de Charles, es una de las leyes de los gases ideales. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenido a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa
LEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES Es decir, la ley de Dalton establece que en una mezcla de gases cada gas ejerce su presión como si los restantes gases no estuvieran presentes. La presión específica de un determinado gas en una mezcla se llama presión parcial, y se representa con la letra p. La presión total de la mezcla se calcula sumando las presiones parciales de todos los gases que la componen. Por ejemplo, la presión atmosférica es: Presión atmosférica (760 mm de Hg) = po 2 (160 mm) + pn 2 (593 mm Hg) + pco 2 (0.3 mm Hg) + ph 2 O (alrededor de 8 mm de Hg) LEY DE HENRY
La ley de Henry explica, por ejemplo, la narcosis por nitrógeno o intoxicación que se manifiesta en los buceadores que respiran aire en botellas cuando la presión debida a la profundidad disuelve grandes cantidades de nitrógeno en la sangre. Altas concentraciones de este gas producen un efecto narcotizante. Además, la ley de Henry también explica por qué al retornar a la superficie los buceadores deben subir escalonadamente para permitir que el nitrógeno disuelto en la sangre se libere al disminuir la presión. De no hacerlo así, el buceador corre el riesgo de experimentar los síntomas de la descompresión, resultantes de las burbujas de gas que se desprenden de la sangre al retornar a la presión atmosférica. LEY DE FICK El área de la superficie total de membrana en los pulmones (alvéolos) puede estar en el orden de los 100 m 2 y tiene un grosor de menos de una millonésima de metro, de modo que conforma un interfaz intercambiadora de gas muy efectiva (en otras palabras, posee un gran área de poco grosor). Los factores de los cuales depende la velocidad de paso de un gas a través de una membrana son: Área de intercambio: en el caso de los pulmones, de 70 a 100 m 2 de superficie de intercambio (en algunas alteraciones patológicas este área disminuye). Constante de difusión (D) de un gas: el CO 2 es 20 veces más difusible que el O 2. Diferencia de presiones entre uno y otro lado de la membrana: Inversamente proporcional al grosor de la membrana (G): a pesar de que consta de varias capas, la membrana respiratoria alveolar es finísima: menos de 1 micrómetro de ancho.
La sangre demora 0,75 segundos en pasar por el alvéolo, y en solo 0,25 segundos se alcanza el equilibrio de las presiones de los gases. Cuando un animal hace ejercicio la sangre pasa más rápido, e igualmente se alcanza el equilibrio. Cuando la membrana está engrosada (alteración de la difusión), en reposo no hay problema porque puede demorarse 0,50 o 0,75 segundos en alcanzar el equilibrio; pero si se hace ejercicio, la sangre pasa más rápido y ese tiempo no será suficiente para alcanzar el equilibrio y la presión parcial de oxígeno será menor. Las consecuencias de este tipo de alteraciones son evidentes en, por ejemplo, los equinos de carrera. ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES LEY DE LOS GASES IDEALES Según la teoría atómica, las moléculas pueden tener cierta libertad de movimientos en el espacio. La libertad de movimiento de las moléculas de un sólido está restringida a pequeñas vibraciones; en cambio, las moléculas de un gas se mueven aleatoriamente, y sólo están limitadas por las paredes del recipiente que las contiene. Se han desarrollado como hemos visto leyes que relacionan las variables macroscópicas en base a las experiencias en laboratorio. En los gases ideales, estas variables incluyen la presión (p), el volumen (V) y la temperatura (T). Repasando: La ley de Boyle-Mariotte relaciona inversamente las proporciones de volumen y presión de un gas, manteniendo la temperatura constante: P1.V1 = P2.V2 La ley de Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas, a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta:
La ley de Charles sostiene que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema. De las tres se deduce la ley universal de los gases: HIPOTESIS DE AVOGADRO Cada molécula, dependiendo de los átomos que la compongan, deberá tener la misma masa. Es así que puede hallarse la masa relativa de un gas de acuerdo al
volumen que ocupe. La hipótesis de Avogadro permite determinar la masa molecular relativa de esos gases. Analicemos el orden lógico que sigue: 1) La masa de 1 litro de cualquier gas es la masa de todas las moléculas de ese gas. 2) Un litro de cualquier gas contiene el mismo número de moléculas de cualquier otro gas 3) Por lo tanto, un litro de un gas posee el doble de masa de un litro de otro gas si cada molécula del primer gas pesa el doble de la molécula del segundo gas. 4) En general las masas relativas de las moléculas de todos los gases pueden determinarse pesando volúmenes equivalentes de los gases. En condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) [P = 1 atm y T = -273 ºK] un litro de hidrógeno pesa 0,09 g y un litro de oxígeno pesa 1,43 g. Según la hipótesis de Avogadro ambos gases poseen la misma cantidad de moléculas. La proporción de los pesos entre ambos gases es: 1,43/0,09 = 15,9 (aproximadamente 16); por lo tanto, la relación que existe entre una molécula de oxígeno e hidrógeno es de 16 a 1. Las masas atómicas relativas que aparecen en la tabla periódica están consideradas a partir de un volumen de 22,4 litros en CNPT. Como consecuencia de la hipótesis de Avogadro puede considerarse una generalización de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molécula de gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que es el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presión que se someta al sistema. Esto es cierto porque las leyes que gobiernan los cambios de volumen de los gases con variaciones de temperatura y presión son las mismas para todos los gases ideales. Estamos relacionando proporcionalmente el número de moles (n), el volumen, la presión y la temperatura: P.V ~ n.t. Para establecer una igualdad debemos añadir una constante (R) quedando:
DIFUSIÓN DE LOS GASES RESPIRATORIOS A TRAVÉS DE LA MEMBRANA ALVEOLO-CAPILAR El intercambio pulmonar de gases requiere de la constante renovación del contenido del gas alveolar y de la sangre capilar pulmonar a través de los procesos de la ventilación y la circulación pulmonares. Así se consigue mantener gradientes de presiones parciales de O 2 y de CO 2 a ambos lados de la membrana alveolo-capilar, imprescindible para el proceso de la difusión de los gases a través de la misma. De un lado de la membrana, el aire fresco que aporta la respiración renueva la presión parcial de oxígeno y al otro lado, el componente capilar, que contiene la sangre que recibirá el gas desde el espacio alveolar. El componente capilar representa la totalidad del volumen sanguíneo que está en contacto con la zona de intercambio en el momento de la difusión. La velocidad de paso de esta sangre por el capilar pulmonar, o gasto cardiaco, será el tercer mecanismo participante en el proceso, junto a los componentes de membrana y capilar, por lo que también puede influir en el resultado final de la difusión. Los gases respiratorios, O 2 y CO 2, están afectados por los tres mecanismos anteriormente mencionados. En el intercambio de gases, una vez que el gas inspirado ha conseguido acceder al espacio alveolar a través de los mecanismos de transporte y mezclado en fase gaseosa, comienza el proceso conocido como difusión en fase líquida, que es el que participa en la transferencia o difusión de los gases a través de la membrana
alveolo-capilar. Esta membrana, que se interpone en el proceso de la difusión, tiene un grosor aproximado de 0,4 micrómetros y está compuesta por surfactante, epitelio alveolar, membrana basal y endotelio capilar (estos dos últimos están fusionados). Traspasada esta membrana, el gas implicado debe difundir dentro de la sangre y combinarse con la hemoglobina, donde termina el proceso de la difusión. TRANSPORTE ALVEOLO-CAPILAR DE LOS GASES RESPIRATORIOS En el transporte alveolo-capilar de los gases respiratorios, O 2 y CO 2, intervienen los tres factores del transporte alveolo-capilar de los gases. En el caso del oxígeno, el factor de membrana representa la primera limitante, debido a que este gas tiene una tasa de difusión muy baja, es 20 veces menor que la del CO 2. En el lado alveolar de la membrana, la presión parcial de oxígeno varía dependiendo de la ventilación por minuto, pudiéndose apreciar un descenso durante la espiración respecto de la inspiración y puede incrementarse o disminuirse con variaciones de la fracción inspirada de oxígeno. El factor sanguíneo interviene a través de la tasa de recombinación del oxígeno con la hemoglobina. La difusión y la convección directa de las moléculas de oxígeno en el plasma no intervienen en este componente porque son prácticamente instantáneas, pero el factor circulatorio hace que su valor esté limitado por el gasto cardiaco, lo puede apreciarse en los casos de incrementos de gasto cardiaco, o bien durante el ejercicio, en los de descenso del gasto cardiaco, o en la insuficiencia cardiaca. El CO 2 es producto del metabolismo celular el cuál es eliminado por el pulmón durante el ciclo respiratorio. El control en la cinética de este gas en el organismo es muy estricto y depende de una compleja interacción entre el sistema nervioso central, el sistema nervioso autónomo y la función cardiopulmonar. El gas se produce a nivel celular a un ritmo directamente proporcional a la actividad metabólica (producción normal basal de 200 ml/min). Se transporta por la sangre principalmente como ión bicarbonato (HCO - 3, 85%) y en menor proporción como disuelto o combinado con grupos aminos de la hemoglobina.
EFECTO BOHR La oxigenación de la Hb aumenta la acidez, o dicho de otra manera, la desoxigenación aumenta la basicidad porque la unión del oxigeno a la Hb implica la participación en el equilibrio del ion hidrógeno: Hb + 4 O 2 -------> Hb(O 2 ) 4 + H + T R Cuando el CO2 llega al eritrocito se dan dos situaciones: la primera es que el CO 2 reacciona con el H 2 O, reacción catalizada por la anhidrasa carbónica, produciendo H 2 CO 3 en un 90%. La segunda es que el CO 2 en un 7%, se une a la Hb generando carbaminohb. El - ácido carbónico pasa automáticamente a HCO 3 y H +. El H + generado se incorpora a la desoxihb, esto genera HbH +, proceso facilitado por el efecto Bohr. La Hb retiene 2 H + por cada molécula de O 2 que pierde. El HCO - 3 por su parte, difunde a través de la membrana eritrocitaria y en parte se intercambia con iones Cl - del plasma, mecanismo denominado desplazamiento del cloruro. Así se transporta la mayoría del CO 2. El restante, se transporta como CO 2 disuelto (5%) y como reacción del CO 2 con los grupos amino de la Hb, donde se generan entre 1 y 2 equivalentes de H +. En los pulmones se da el proceso inverso, el oxigeno se une a la desoxihb y los H + se liberan. El HCO - 3 que está en sangre entra al eritrocito, y sale el Cl -. El H + reacciona con el HCO - 3 y forma el ácido carbónico, este se desdobla en CO 2 y H2 O. El CO 2 es exhalado y el agua sale a favor de gradiente, a medida que aumenta su concentración. Este fenómeno reversible que se da en el eritrocito, entre pulmón y tejidos es lo que se conoce como Efecto Bohr.
EFECTO HALDANE El efecto Haldane es el resultado del simple hecho que la combinación del oxigeno con la hemoglobina en los pulmones hace que la hemoglobina se convierta en un acido más fuerte. Esto a su vez desplaza el dióxido de carbono de la sangre al interior de los alvéolos de dos maneras. En los capilares tisulares, el efecto Haldane produce un aumento de la toma de dióxido de carbono, debido a que el oxigeno sale de la hemoglobina, y en los pulmones produce un aumento en la liberación de dióxido de carbono, porque la hemoglobina toma oxigeno. Por tanto, el efecto Haldane duplica aproximadamente la cantidad de dióxido de carbono liberada por la sangre en los pulmones y duplica aproximadamente la cantidad de dióxido de carbono tomada en los tejidos Al oxigenar la Hb se libera H + de la misma, lo que da lugar a un aumento en la acidez titulable (transporta menos CO 2 como carboxihemoglobina) Los pacientes con problemas pulmonares obstructivos, que por mecanismos de compensación fisiopatologicos (hipoxemia), elevan su concentraciones de Hto y Hb en un 20-30%, por lo tanto considerando las bases fisiológicas del Efecto de Haldane, los pacientes obstructivos y sobre todos los que ya tiene indicación de oxigeno en una internación, se deben manejar con flujos o concentraciones bajas de O 2 (no más de 2 litros por minuto), por el peligro de exacerbar una acidosis respiratoria ó agregar una metabólica; poniendo en peligro la vida del paciente.