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Gases – Respiración Externa

Respiración

• Interna o Celular

• Externa

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•Respiración Interna o Celular

- Común a casi todos los seres vivos

- Implica el intercambio de ciertos gases entre el

medio y las células.

- Utilización de un gas oxidante para la oxidación

de compuestos orgánicos.

- En la mayoría de las células implica la absorción

de O2 y remoción de CO2.- A cargo de las mitocondrias en células eucariotas.

• Respiración Externa

- Exclusiva de organismos pluricelulares.

- Se produce a través de mecanismos que permitenel intercambio de los gases que participan en la respiración interna entre el medio y el organismo.

- En el caso de organismos pluricelulares terrestresestos mecanismos finalmente permiten el inter-cambio de gases entre la atmósfera y los tejidos.

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Respiración Externa

ETAPAS

• Ventilación o intercambio de gases entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares

• Intercambio de O2 y CO2entre el aire alveolar y la sangre

• Trasporte de O2 y CO2 entre los pulmones y los tejidos

• Intercambio de O2 y CO2entre la sangre y los tejidos

Órganos de la cavidad torácica

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Sistema respiratorio

Bronquíolo y Alvéolo

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Vías Aéreas

Propiedades y comportamiento de los gases

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Variables de estado:

•Presión = Fuerza / área⊥ P = F/SUnidades: N/m2= Pascal, dina/cm2= Baria, atm, mmHg

• Volumen (V): espacio ocupado por la masa gaseosa.Unidades: m3, dm3 ≡ L, cm3 ≡ ml

• Temperatura (t o T): relacionada con la energía cinética de las moléculas que constituyen el gas.Unidades: °C (t), K (T)

T (K) = 273,16 + t (°C )

• Composición: tipo y cantidad de sustancia en la masa gaseosa.Unidades: molnúmero de moles = masa/masa molar n= m/Mr

•Ley de Boyle-Mariottea T= cte P.V = cteo P1.V1 = P2.V2= cte (T, m, nat gas)

•Ley de Charles-Gay Loussaca P= cte V/T = cteo V1/T1 = V2/T2= cte (P, m, nat gas)

Modelo del gas ideal: Leyes

P1.V1/T1 = P2.V2/T2 o P.V/T = cte (m, nat gas)

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Modelo del gas ideal: Leyes

• Hipótesis de Avogadro: volúmenes iguales de gases distintos en la mismas condiciones de presión y temperatura tienen el mismo número de moléculas. En particular, si el número de moléculas es NA (se trata de 1 mol de moléculas o sea n=1) y las condiciones de P y T son las normales (CNPT, P = 1 atm y T = 273,16 K), todos los gases ocupan el mismo volumen (volumen molar) de 22, 4 L

P.V/T = cte = n.R (Ec. general de estado)

• Ley de Dalton de las presiones parciales: en una mezcla de gases, cada gas ejerce su propia presión parcial. La presión parcial de un gas “i” (pi) en una mezcla de gases es la presión que ejercería si estuviese solo (su propio número de moles ni) en las mismas condiciones de volumen y temperatura de la mezcla.

pi = ni . R.T/V donde T y V temperatura y volumen de la mezcla

para la mezcla: P = n. R.T/V donde P y n son la presión y el númeromoles totales (n = ∑ ni) de la mezcla

Relacionando: pi/P = ni/ n = xi (fracción molar del gas “i”) pi = xi . P

Sumando las pi: ∑pi = ∑(ni.R.T/V )=(RT/V)· ∑ni =n R.T/V = P P = ∑ pi

La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada gas de la mezcla

Modelo del gas ideal: Leyes

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Modelo del gas ideal: Leyes

• Ley de Amagat de los volúmenes parciales: en una mezcla de gases, cada gas ocupa su propio volumen parcial. El volumen parcial de un gas “i” (Vi) en una mezcla de gases es el volumen que ocuparía si estuviese solo (su propio número de moles ni) en las mismas condiciones de presión y temperatura de la mezcla.

Vi = ni.R.T/P donde T y P temperatura y volumen de la mezcla

para la mezcla: V = n.R.T/P donde V y n son el volumen y el número de molestotales (n = ∑ ni) de la mezcla

relacionando: Vi/V = ni/ n = xi (fracción molar del gas “i”)

La fracción en volumen de un componente es la fracción molar del mismo.

recordando que el porcentaje volumen en volumen (%V/V) de un componente es el volumen ocupado por ese componente por cada cien volúmenes de mezcla concluimos que:

%V/V = Vi/V .100 %V/V = xi . 100

Ley de Henry: solubilidad de gases en líquidos

Los gases se disuelven en líquidos. A una dada temperatura, la concentración máxima alcanzada por el gas en la fase líquida (su solubilidad) depende de la presión parcial del gas en la fase gaseosa en contacto con el líquido. Por ejemplo, para el CO2:

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Constantes de Henry para algunos gases en agua

A mayor constante de Henry mayor es la solubilidad del gas en el líquido

La solubilidad de los gases en líquidos disminuyecon el aumento de la temperatura y aumenta conel aumento de la presión en fase gaseosa

Ley de Henry: solubilidad de gases en líquidos

Entonces, como medida de la concentración de un dado gasen un líquido, podemos hablar directamente de la presión parcial con la que está en equilibrio esegas en fase gaseosa en contacto con el líquido, a una dada temperatura.

¿Qué significa afirmar que la pCO2

en sangre es de 46 mmHg?

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Difusión:

Partiendo de un sistema en el cual existen gradientes de presión, y por lo tanto de concentración, de uno o más gases de una solución, la difusión es el proceso por el cual se tiende espontáneamente a uniformar la presión o concentración en toda la extensión de la solución. Las moléculas de los gases difunden espontáneamente desde zonas de mayor presión parcial o

concentración a zonas de menor presión parcial o concentración del componente en cuestión.

• Ley de Fick: la cantidad de materia que atraviesa una sección perpendicular a la dirección de movimiento en la unidad de tiempo (velocidad de pasaje) es propocional al gradiente de concentración.

El gradiente de concentración (C1-C2/L) es la variación de la concentración con la distancia.

m/t = - D. S. (C1- C2)/L

donde: m es la masa o número de moles; t el tiempo; S es la superficie; L la distancia entre los puntos 1 y 2 con concentraciones C1 y C2; D coeficiente de difusión.

Equivalente de la ley de Fick expresada en presiones parciales:

m/t = - K. S. (p1- p2)/L

La velocidad de difusión de moléculas en fase gaseosa es mucho mayor que en medios líquidos.

La primera ley de Fick es la que describe matemáticamente el proceso de difusión:

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Ventilación

Respiramos aire atmosférico

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la tierra y ejerce una fuerza (su peso) sobre la superficie terrestre (presión).

A nivel del mar y 45° de latitud, la presión es de 760 mmHg ≡ 1 atm y varía con la posición en el globo terraqueo: desciende con la altitud y se incrementa con la latitud.

Está compuesta por (%V/V):20,93 % de O2

0,03 % de CO2

79,04 % de N2 y otros gases inertes

Si hay vapor de agua, disminuyen proporcionalmente todos los porcentajes.

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Medida de la presión atmosférica

Patm

vacío

En condiciones de equilibrio estático, la fuerza ejercida por el peso de la atmósfera sobre la superficie libre del mercurio (presión atmosférica) es equivalente al peso ejercido por la columna de mercurio encerrada en el tubo sobre la superficie del mismo (s)

1 atm = mHg.g/s = δHg.g.VHg/s =

= δHg.g.s. hHg/s = δHg.g.hHg= ρHg.h

1 atm = 760 mmHgExperiencia de Torricelli

Presiones parciales de los gases atmosféricos (en mmHg)

Aire seco Aire saturado con vapor de H2O a 37°C

O2 160 139

CO2 0,3 0,3

N2 y otros 600 574

H2O 47

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Presión transmural (Ptr)

Es la diferencia entre la presión en la cavidad de un órgano (Pi) y la exterior ejercida por las estructuras que rodean al órgano (Pe):

Ptr = Pi-Pe

En los pulmones a la Ptr se la denomina presión transpulmonar (Ptrp) y su valor al final en la espiración tranquila es aproximadamente:

Ptrp=Pi (en la cavidad) - Pe (en el espacio pleural) =760 mmHg - 755 mmHg =5 mm Hg

En condiciones estáticas la Ptrp es contrarrestada por las fuerzas de retracción elástica del sistema pulmones-tórax.

La fuerza de retracción elástica es la que determina la existencia de una presión subatmosférica en la cavidad pleural e incluye 2 componentes principales:

• las fuerzas ejercidas por las fibras elásticas del parénquima pulmonar• la tensión superficial en la interfase aire alveolar-alvéolo que, por la geometría alveolar (burbujas de radio pequeño), tiende a colapsar las cavidades alveolares.

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El aire entra en los pulmones y sale de ellos mediante losmovimientos respiratorios que son dos: Inspiración - Espiración

Inspiración (activa) Espiración (pasiva)

Diafragma e intercostales externos contraídos

El volumen torácico aumenta

La presión intrapulmonar disminuye

Retracción elástica de los pulmones

El volumen torácico disminuye

La presión intrapulmonar aumenta

Entra aire Sale aire

Diafragma e intercostales externos relajados

Ciclo Respiratorio

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Volúmenes y Capacidades Respiratorias

VRI

VRE

Distensibilidad de los pulmones y la caja torácica

Es una medida estática de la retracción pulmonar y del tórax.

Δ V Δ P

= distensibilidad

o adaptabilidad

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Resistencia elástica de los pulmones: fuerza de retracción elástica de las paredes pulmonares.

Resistencia opuesta por los tejidos no elásticos: aparece por la fricción de los tejidos que se desplazan durante la inspiración (caja torácica, diafragma, vísceras abdominales).

Resistencia al flujo aéreo: fuerza que se opone a la circulación del fluido (aire) y depende de la viscosidad del mismo, de la longitud y área del árbol bronquial.

En Inspiración (contracción de músculos inspiratorios)

Factores mecánicos participantes en los movimientos respiratorios

Durante los movimientos respiratorios se ponen en juego fuerzas mecánicas para vencer resistencias.

Fuerza elástica: al cesar la fuerza que distendía alos pulmones y al tórax, la propiedad elástica re-cupera, en forma pasiva, al complejo pulmones-tórax a su volumen inicial

En Espiración Resistencia hística no elástica: al igual que en la (relajación de inspiración, en la espiración se produce fricción

músculos de los tejidos al desplazamiento. La fuerza derecu-inspiratorios) peración elástica es la responsable de vencer esta

resistencia.

Resistencia al flujo aéreo: al igual que en la inspi-ración existe resistencia a la circulación del aireespirado.

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Surfactante pulmonar

Es una sustancia tensioactiva existente en la fina capa acuosa que tapi-za los alvéolos pulmonares. Los componentes mayoritarios son fosfolípidos (88%), proteínas (10%) y otros componentes menores.

Los alvéolos pulmonares se comportan como pequeñas burbujas de aire interconectadas sumergidas en el estroma de los pulmones. Esta geometría (esférica) determina la tendencia al colapso, generando una presión superficial resultante que depende de la tensión superficial del fluido que tapiza los alvéolos y del radio de los mismos (Ley de Laplace para geometría esférica):

P = 2γ / r donde: P presión superficial resultante,γ tensión superficial y r radio de laesfera

rArB

A menor radio mayor es la tendencia al colapso y en consecuencia, a medida que progresa la espiración la tendencia al colapso aumenta-ría. Además, al estar interconectados, se favorece el colapso de los alvéolos mas pequeños con expansión de los mas grandes.

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La presencia del surfactante, al disminuir la interacción (cohesión) entre molé-culas del agua en la superficie alveolar, disminuye la tensión superficial de la interfase aire-agua haciendo que el esfuerzo (trabajo) respiratorio disminuya.

Sin surfactante

aire

agua

Con surfactante

aire

agua

Po

Po

Como actúa el surfactante durante el ciclo respiratorio?

Inspiración: • radio alvealor (r) aumenta → las moléculas del surfac-

tante se expanden (se diluyen en la superficie) → aumento de la tensión superficial (γ).

• el aumento de γ es contrarrestado por el incremento del

radio alveolar → la presión superficial resultante (P) se mantiene prácticamente constante (Ley de Laplace)

• radio alveolar (r) disminuye → las moléculas de

surfactante se concentran en la superficie → disminuye la tensión superficial (γ)

• la disminución de γ antagoniza la tendencia al colapso por disminución del radio alveolar (Ley del Laplace)

Espiración:

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Resumiendo, la presencia de la sustancia tensioactiva tiene tres efectos:

• disminuye γ en todos los alvéolos (independientemente del diámetro) y en consecuencia la presión para mantenerlos abiertos.

• permite que alvéolos con diferente diámetro permanezcan abiertos por la misma presión, ya que los de menor diámetro tienen también menor γ y los de mayor diámetro poseen mayor γ.

• permite que la presión necesaria para mantener los alvéolos distendidos en espiración (todos tienen menor diámetro que en inspiración), sea menor por disminuir en todos la γ al concentrarse la sustancia tensioactiva.

Intercambio de O2 y CO2 entre el aire alveolar y la sangre

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Composición (%V/V) y presiones parciales (mmHg) del aire inspirado,aire alveolar y aire espirado

Aire inspirado aire alveolar aire espirado

%V/V

O2 20,8 13,2 15,2

N2 78,4 75,4 74,9

CO2 0,04 5,2 3,7

H20 0,75 6,2 6,2

pi

O2 158 100 116

N2 596 573 569

CO2 0,3 40 28

H20 5,7 47 47

El aire inspirado difiere del aire alveolar debido a:

• Humidificación en las vías respiratorias hasta saturación con vapor de H20 a 37ºC.

• Intercambio rápido de gases respiratorios (cesión o pérdida de O2 y ganancia de CO2) a nivel alveolar (hematosis).

El aire espirado difiere del aire alveolar debido a la mezcla con el aire existente en el espacio muerto (fundamentalmente vías respira-torias de conducción) en donde no existe hematosis. Aproximada-mente el 30% del volumen corriente constituye el espacio muerto funcional.

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Composición (%V/V) y presiones parciales (mm Hg) en sangre venosa y sangre arterial

Sangre venosa Sangre arterial

%V/V

O2 5,2 13,2

N2 75,4 75,4

CO2 6,1 5,2

H20 6,2 6,2

pi

O2 40 ∼100

N2 573 573

CO2 46 40

H20 47 47

El intercambio de gases respiratorios entre alvéolos y sangre se lleva a cabo por difusión simple a través de la superficie de la membrana alvéolo-capilar, siguiendo el gradiente de concentración o presión parcial de cada uno ellos (Ley de Fick):

m/t = - K. S. (p1- p2)/L

CO2

O2

alvéolo

membrana alvéolo-capilar:•Epitelio alveolar•Membranas basales del epitelio alveolar y capilar•Endotelio capilar capilar

glóbulo rojo

Hematosis

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Transporte de O2 y CO2 en la sangre

Transporte de O2: La mayor proporción del O2 en sangre es transportado por la Hemoglobina (Hb) en los glóbulos rojos y la menor proporción disuelta molecularmente en el plasma según la ley de Henry.

Proporción del transporte total de O2(%) enSangre arterial y venosa.

disuelto combinado

Sangre arterial 1,3% 98,7%

Sangre venosa 0,8% 99,2%

A nivel de los tejidos donde la pO2 < 40mmHg y el pH es mas bajo (consecuencia delmetabolismo tisular), el O2 difunde hacia los tejidos por difusión simple y la Hb cede el O2 no sólo por disminución de la pO2 a ese nivel, sino que además disminuye laafinidad de la Hb por O2 (corrimiento hacia la derecha de la curva de saturación).

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Transporte de CO2

El CO2 es transportado en sangre :

• Disuelto molecularmente (∼7%).• Combinado con las proteínas (Hb y proteínas plasmáticas) como compuestos

carbamínicos (∼23%).• Como bicarbonato CO3H- (producido por la elevada actividad de la anhidrasa

carbónica erotrocitaria. (∼70%).

a nivel pulmonar a nivel tisular

Intercambio de gases respiratorios a nivel de membrana alvéolocapilar y tisular. Se lleva a cabo por difusión simple a favor de gradiente de concentración (presión parcial).

En resumen…

Circulación venosa Circulación arterial

Respiración aeróbica

Alvéolo