Gases II

Difusión Hemato-gaseosa: leyes que la regulan.

Cámaras hiperbáricas: Uso médico

Integrantes:

Tamayo Barrera Katia Esperanza

Mazuelos Weyrauch Paula Arianna Renée

I. Introducción

La difusión alveolo-capilar conocida como hematosis es de gran importancia, sin ella el oxígeno ambiental no llegaría a las células del cuerpo y no se produciría la glucólisis aeróbica que le proporciona energía a las distintas células del cuerpo. Para comprender la difusión alveolo-capilar hay que conocer primero las distintas leyes que regulan los gases, como estas se aplican al oxígeno y dióxido de carbono y los mecanismos de transporte y difusión. Así como algunas patologías y las nuevas terapias con oxígeno hiperbárico.

A. Difusión (concepto)

La difusión es el proceso mediante el cual moléculas gaseosas pasan desde áreas de elevada concentración a áreas de baja concentración como consecuencia de su energía a través de aberturas pequeñas, tales como paredes porosas, etc.

B. Fisiología del sistema respiratorio

Las vías respiratorias son las que permiten el proceso de respiración.

Fosas nasales: por donde ingresa el aire al cuerpo. Son dos conductos o cavidades separadas por el tabique nasal y están situadas encima de la boca.

Faringe, laringe y tráquea: la faringe constituye el primer tramo del tuvo por donde pasa el aire. A continuación se encuentra la laringe, que es el órgano de fonación y está integrada por varios cartílagos. La tráquea mide unos doce centímetros de longitud. Representa la ultima porción de el tubo de las vías respiratorias. Se ubica delante del esófago. En su interior tiene una mucosa que la tapiza.

Bronquios: en la quinta vertebra toráxica la tráquea se bifurca en dos ramas para dar origen a los bronquios, los cuales penetran en cada uno de los pulmones mediante el hilio pulmonar. Al entrar a los pulmones se van dividiendo en bronquios mas pequeños y a medida que se dividen tiene distintos nombres.los primeros son los bronquios lobulares. Estos se siguen dividiendo hasta llegar a los bronquiolos, que son mas pequeños y finos, al final terminan en una zona dilatada que son los alveolos.los que se encuentran separados por el tabique interalveolar donde se circulan los capilares sanguinios.

Pulmones: tienen forma de cono con sus bases apoyadas en el diafragma. Una de las caras pulmonares es aplanada y la otra es convexa. El pulmón derecho esta formado por tres lóbulos, el superior el medio y el inferior, que se encuentran separados por dos endiduras llamadas Cisura horizontal o menor y la Cisura oblicua o mayor. Este pulmón posee mayor volumen que el izquierdo. A su vez, el pulmón izquierdo esta formado por dos lóbulos el superior y el inferior, que se encuentran separados por la única Cisura oblicua o mayor. Este pulmón presenta además la llamada Escotadura cardiaca donde se encuentra ubicado parte del corazón. Los pulmones se encuentran envueltos por un saco de doble membrana denominada Pleura. La parte mas pegada al pulmón se llama pleura visceral y a la que esta por fuera se le llama pleura parietal. Entre ellas hay una cavidad, que es la cavidad pleural, la que se encuentra ocupada por una cantidad del líquido pleural, el cual se encarga de lubricar, es decir, facilitar el desplazamiento entre las dos membranas en los movimientos respiratorios.

1. Surfactante pulmonar

En la estructura alveolar podemos observar la presencia de una sustancia que recubre el epitelio interno del pulmón. Dicha sustancia se denomina surfactante pulmonar. Esta compuesta por una mezcla de fosfolipidos entre los cuales destacan el dipalmitoil-leticina. Es secretada por unas células llamadas neumocitos tipo II. Su producción comienza entre las semanas 24 y 28 del embarazo.

El surfactante presenta propiedades tensioactivas, las cuales ayudan a mantener al alveolo estable, evitan el colapso en la espiración y estabilizan el tamaño alveolar entre otras cosas.

Para que el pulmón pueda funcionar correcta y normalmente va a depender del suministro constante de este fosfolípido. La inadecuada secreción de este surfactante puede originar patologías. Una de ellas recibe el nombre enfermedad hialina o síndrome de dificultad respiratoria se da en prematuros.

El efecto que produce sobre la tensión superficial obedece la ley de Laplace, la cual propone que la presión transalveolar necesaria para mantener expandido a los alveolos es directamente proporcional a la tención a la pared alveolar. Matemáticamente se enuncia así:

P = 2T/R

Donde:

P= presión

T= tensión superficial

R= diámetro alveolar

2. Circulación sanguínea

Describe el recorrido de la sangre a través del cuerpo con la función de transportar nutrientes, oxigeno, hormonas y recoger desechos metabólicos para luego eliminarlos del organismo.

Hay dos tipos de circulación. La circulación menor o pulmonar y la circulación mayor.

Circulación pulmonar: la sangre va del corazón a los pulmones donde se oxigena y descarga el anhídrido carbónico. Parte del ventrículo derecho hacia los pulmones. La sangre venosa va a través de las arterias pulmonares y vuelve a la aurícula izquierda a través de dos venas pulmonares.

Circulación mayor: la sangre recorre todo el cuerpo antes de retornar al corazón. Se inicia en el ventrículo izquierdo pasa por la arteria aorta y va hacia el cuerpo para su oxigenación.

II. Difusión hemato-gaseosa

A. Leyes que regulan la difusión gaseosa

1. Ley de Graham

“A temperatura y presión constantes la velocidad de difusión de diversos gases varía en razón inversa de las raíces cuadradas de sus densidades o masas moleculares”

2. Ley de Henry (Ley de la solubilidad de los gases)

Esta ley enuncia que la solubilidad de un gas en el agua es directamente proporcional a su presión, también hay que considerar como otro factor al coeficiente de solubilidad de cada gas.

Vd = P.k.Vt

Vd = volumen disuelto del gas

P = presión

K = coeficiente de solubilidad

Vt = volumen total del H2O

3. Ley de Fick

Esta ley nos dice que la velocidad de difusión de un gas en el cuerpo humano a nivel de pulmón depende de varios factores. Primero de la diferencia de presión que es directamente proporcional a la velocidad de difusión (P), el área de difusión del pulmón, es decir el área de los alveolos(A),la distancia de difusión , que hace referencial al grosor de la membrana alveolo capilar(d),el coeficiente de solubilidad que es directamente proporcional a la velocidad de difusión (s), la raíz cuadrada del peso molecular que es inversamente proporcional(m) y la temperatura absoluta.

D= (Pf-Pi)AST/dm

B. Difusión alveolo-capilar y en los tejidos

Una vez comprendidas las principales leyes de gases que intervienen en la difusión, hay que conocer los factores que influyen en la velocidad de esta difusión gaseosa.

Grosor de la membrana

A pesar de que es sumamente delgada, la membrana respiratoria consta de varias capas. En primer lugar esta una capa de líquido que contiene la sustancia surfactante, seguida por el epitelio alveolar, una membrana basal, un espacio intersticial entre el epitelio alveolar y la membrana capilar,

una membrana basal del capilar y finalmente la membrana del endotelio capilar. El grosor final de esta barrera hematogaseosa es de tan sólo 0,6µm, llegando hasta los 0,2µm en algunas zonas.

Área superficial de la membrana

El área total de la membrana respiratoria es de aproximadamente 70m2 en un hombre adulto. La cantidad total de sangre presente en los capilares en cada instante es aproximadamente entre 60-140ml. Si se imaginara una habitación de esas dimensiones con tan poca cantidad de líquido, es posible imaginar la gran área de contacto que va a haber. Además el diámetro medio de los capilares pulmonares es de aproximadamente 5µm. Esto quiere decir, que los eritrocitos van a pasar relativamente comprimidos a través de ellos. Esto produce que los gases no tengan que atravesar cantidades significativas de plasma para llegar de los alveolos al eritrocito o viceversa.

Coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana

La solubilidad de cada gas dividida entre la raíz cuadrada de su peso molecular proporciona el coeficiente de difusión del gas. Se asume que el coeficiente del oxígeno es 1 y en base a él se calculan los demás coeficientes. Así en la siguiente tabla podemos apreciar los principales coeficientes.

Oxígeno 1

Dióxido de carbono 20,3

Monóxido de carbono 0,81

Nitrógeno 0,95

Estos coeficientes determinaran la velocidad relativa a la cual se difunde cada gas. Se puede resaltar que es casi 20 veces más fácil difundir dióxido de carbono que oxígeno.

La diferencia de presión parcial entre los dos lados de la membrana

Quizás este es el punto que más influye en la difusión hemato-gaseosa. Es debido a esta gran diferencia de presiones que los gases pasan de un lado de la membrana al otro, de mayor a menor concentración. Para comprender mejor como influyen la siguiente gráfica muestra las presiones parciales del oxígeno y el dióxido de carbono a lo largo del sistema circulatorio.

Como se puede apreciar en la gráfica, la difusión en los tejidos también se produce por una diferencia de presiones. Las arterias dejan oxígeno en la sangre y las venas recogen el dióxido de carbono producido como residuo metabólico. La difusión del oxígeno dependerá de las necesidades de la célula, mientras que el dióxido al tener una mayor solubilidad se difundirá con gran facilidad.

C. Limitaciones de la difusión y perfusión

El movimiento de un eritrocito a lo largo del capilar en contacto con el alveolo toma aproximadamente tres cuartos de segundo. Es un tiempo muy corto en el cual se tiene que captar la mayor cantidad de oxígeno posible y eliminar el dióxido de carbono. Pero existen ciertas limitaciones para los distintos tipos de gases. Para explicar estas limitaciones es necesario comprender el concepto de difusión y perfusión y algunos gases que funcionan con estas reglas.

La difusión pasiva es el paso de una mayor concentración a una menor concentración sin gasto de energía. La perfusión en cambio tiene que ver con el flujo sanguíneo, con la cantidad de sangre que va a pasar por el capilar en un determinado momento. Para comprender mejor centrémonos en esos tres cuartos de segundo que le demora al eritrocito cruzar el alveolo.

El gas se va a difundir de un lado a otro de la membrana hasta que las presiones parciales se igualen. Una vez que esto suceda, el capilar va a estar saturado y ya no se van a poder difundir más moléculas gaseosas.

Tomemos el caso del monóxido de carbono, un gras producido durante la combustión incompleta que tiene gran afinidad por la hemoglobina. Recordando la ley de Henry, al tener una gran afinidad este gas casi no aumenta la presión parcial de la sangre, pudiendo ser captado en grandes cantidades por la célula. Entonces la cantidad máxima de monóxido de carbono difundido va a depender no de la cantidad de sangre disponible sino de la barrera hematogaseosa. Es por esto que se dice que es una limitación por difusión.

Por otro lado el óxido nitroso no se puede combinar con la hemoglobina. Es por esto que rápidamente aumenta la presión parcial de la sangre. No recorrido ni un décimo de la distancia cuando se satura. En este caso el gas captado va a depender del flujo sanguíneo y no de la barrera hematogaseosa. Es por esto que se conoce como limitación por perfusión.

En el caso del oxígeno, este también posee una afinidad por la hemoglobina, pero no es tan grande como la del monóxido de carbono. Recién cuando el eritrocito haya recorrido la tercera parte de la distancia se va a producir la saturación. Esta limitación también es por perfusión. Es por esto que si aumentamos el flujo sanguíneo podemos aumentar la captación de oxígeno. No olvidemos que la reserva de difusión del pulmón es enorme.

III. Transporte de gases

A. Transporte de oxígeno

El oxigeno es transportado por la sangre de dos maneras:

1. Oxigeno disuelto2. Oxigeno combinado con la hemoglobina

1. Oxígeno disuelto

Casi el 3% de oxígeno circula disuelto en el agua del plasma y de las células, esto se debe a su bajo coeficiente de solubilidad. Este fenómeno se produce por la dificultad que el oxígeno presenta en el momento de interactuar con las moléculas de agua debido a su naturaleza apolar. Este proceso obedece la ley de Henry, ya que un gas se difunde con mayor rapidez mientras más soluble sea. Al no ser soluble en el plasma, sólo una pequeña cantidad opta por este método de transporte. El oxígeno es transportado desde el pulmón hasta los tejidos donde es utilizado en las distintas vías metabólicas.

2. Transporte en hemoglobina

Para llevar a cabo este transporte es necesaria la presencia de una proteína llamada hemoglobina, la cual esta conformada por una parte proteica y cuatro grupos hemo los cuales estén formados por un átomo de hierro unido a un anillo porfirínico. Por lo tanto según lo expuesto cada molécula de hemoglobina puede transportar cuatro moléculas de oxigeno.

El oxigeno se combina de forma y reversible con el átomo de hierro para su transporte debido a la alta afinidad que presenta este ion por el O2, entonces se forma la oxihemoglobina

O2 + Hb ↔ HbO2

Cuando se eleva la presión del O2 en la sangre se produce una completa saturación de la hemoglobina esto se da en el caso de los capilares pulmonares (el O2 se une a la hemoglobina). Mientras que si es reducida disminuye la saturación como en el caso de los capilares titulares (el O2 se libera de la hemoglobina).

B. Transporte de dióxido de carbono

El CO2 también usa la sangre como medio de transporte. Cuando este compuesto se ha formado en las células (consecuencia del metabolismo) las abandona por difusión a la sangre venosa y esta la lleva a los pulmones. Existen tres maneras de transportarlo:

1. CO2disuelto.2. En forma de bicarbonato.3. Combinado con proteínas como compuestos carbamínicos.

1. Disuelto en el plasma

Este fenómeno es el que establece la presión parcial de CO2 en la sangre, puesto que hace referencia a la cantidad parcial que viaja a través del torrente sanguíneo.

Parte del anhídrido carbónico generado en los tejidos por consecuencia del metabolismo se disuelve en el plasma y tan solo entre el 7% y 10% se transporta hasta el pulmón. Allí si la presión del CO2 resulta baja sale de la solución por los capilares a los alveolos para ser expulsadas por la espiración.

2. Transporte del CO2 en forma de ion bicarbonato

El anhídrido carbónico de la sangre reacciona con el agua para formar acido carbónico. Esta reacción seria demasiado lenta si no existiera en el interior de los eritrocitos una enzima llamada

anhidrasa carbónica, que cataliza dicha reacción y la hace posible en fracción de segundos. En el plasma este proceso es insignificante puesto que no hay dicha enzima y se da demasiado lenta.

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Después en otra fracción de segundo, el H2CO3 se disocia en ion hidrogenoide e ion bicarbonato

H2CO3 ↔ H+ + HCO3+

El ion bicarbonato difunde hacia el exterior, pero el H+ no puede hacerlo con facilidad porque la membrana de eritrocitos es relativamente impermeable a cationes, por lo tanto para que se mantenga la electroneutralidad, se difunden iones Cl- hacia el interior del glóbulo rojo desde el plasma siguiendo el llamado equilibrio de Gibbs-Donnan.

3. Transporte del CO2 en compuestos carbamínicos

En los tejidos el anhídrido carbónico reacciona con las moléculas de aminoácidos terminales de las proteínas sanguíneas y forman compuestos carbónicos. La proteína mas importante es la globina que forma parte de la hemoglobina, entonces se forma la carbaminohemoglobina.

HbNH2 + CO2 ↔ HbNHCOOH

Esta reacción se produce rápidamente.

IV. Anomalías

Hipoxia

La hipoxia es producida cuando una parte del cuerpo o el cuerpo completo no posee suficiente

oxígeno para realizar sus funciones. Este trastorno se produce generalmente a grandes alturas o cuando

se realiza mucho esfuerzo físico.

A alturas mayores que las del nivel del mar la presión atmosférica disminuye, disminuyendo así

la presión parcial de cada gas. Si por ejemplo, antes teníamos 100mmHg de PO2 en los alveolos, a una

mayor altura tendremos una presión parcial de 60mmHg. La presión dentro de la sangre tiene que

mantenerse constante a 40mmHg. Lo que varía es la diferencia de presiones. Al nivel del mar tenemos

una diferencia de presiones de 60mmHg aproximadamente, mientras que sobre el nivel del mar esta

diferencia de presiones disminuiría a 20mmHg. Resumiendo, el capilar se va a saturar con mayor rapidez

y no va a poder absorber el suficiente oxígeno, es una limitación por perfusión. Es por esto que las

personas que viven en altura, tienen mayor cantidad de eritrocitos.

Algo similar sucede cuando se realiza un esfuerzo físico intenso y no se tiene la resistencia

adecuada. En este caso la circulación es más rápida, pero la cantidad de eritrocitos no varía. Es por esto

que los eritrocitos tienen menos tiempo para realizar la absorción de oxígeno. Se produciría también

una limitación por perfusión.

V. Cámaras hiperbáricas

A. Historia y principios

Las cámaras hiperbáricas son utilizadas y conocidas desde el siglo XVII. Al principio con un poco de escepticismo por parte de los científicos pero luego ya comprobados algunos de sus beneficios fue ganando popularidad. La marina utilizaba estas máquinas para sus buzos, en enfermedades ocacionadas por descompresión. También se utilizaban en la minería, cuando se producían intoxicaciones por CO o falta de oxígeno.

El funcionamiento de la cámara hiperbárica es relativamente simple. Es un ambiente con aire comprimido, donde la presión del oxígeno es mayor que en el exterior. Esta presión suele ser

aproximadamente 1,4atm. Este aire se administra mediante una mascarilla oronasal, intubación endotraqueal o en una cámara pequeña para oxigenar el cuerpo entero.

Los principios por los cuales actúa la cámara hiperbárica ya son conocidos. Utilizando la ley de Boyle-Mariotte, que señala que al disminuir el volumen del gas se aumenta su presión, estas cámaras consiguen la presión requerida por cada paciente. La ley de Henry por otro lado señala que si elevamos la presión aumenta la solubilidad de un gas en los tejidos. Esto explica por que en un ambiente con mayor presión se produce una hiperoxigenación.

B. Beneficios

El oxígeno hiperbárico genera varios efectos positivos:

Previene la liberación de proteasas y radicales libres que causan vasoconstricción y daño celular.

Estimulan al fibroblasto, promoviendo la producción de colágeno y su migración.

Aumenta la actividad fagocitaria de los leucocitos.

Corrige los cuadros hipóxicos donde hay poca permeabilidad vascular.

Genera una vasoconstricción sólo en los tejidos sanos (Efecto Robin-Hood), reduciendo así en un 15-30% el flujo arteriolar mejorando la microregulación y reduciendo el edema sin afectar el flujo sanguíneo en las venas.

Promueve la remodelación ósea, favoreciendo la actividad de los osteoblastos y osteoclastos.

También posee efectos antimicrobacterianos, ya que muchas bacterias al ser anaeróbicas no resisten el exceso de oxígeno.

Posee efectos hemorreológicos, aumentando la plasticidad del eritrocito.

Pero también tiene algunos efectos colaterales, por lo que es necesario realizar un diagnóstico adecuado antes de someterse a este tipo de tratamiento. Aunque no es común se han presentado casos de intoxicación por exceso de oxígeno a nivel del sistema nervioso central y ansiedad por confinamiento, también conocida como claustrofobia.

C. Utilidad de la terapia hiperbárica

Intoxicación por CO: En casos de intoxicación por monóxido de carbono la terapia hiperbárica ayuda a desplazar el CO unido a la hemoglobina, dejándola libre para que esta pueda transportar oxígeno y dióxido de carbono. Suele revertir los efectos agudos, por lo que es el tratamiento de elección en casos severos.

Enfermedades descompresivas: Este tipo de enfermedades afecta generalmente a los buzos, que al subir rápidamente a la superficie respirando aire comprimido se forman burbujas de gas en la sangre y tejidos por la alta presión de nitrógeno. Personas que ascienden a más de 5500m sobre el nivel del mal también pueden presentar este tipo de problemas.

Cicatrización: En casos de mala cicatrización por insuficiencia arterial, muñones de amputación y pie de atleta la terapia es altamente efectiva. Las heridas que tienen tendencia a estar sometidas a hipoxia local tienen mayor riesgo de infectarse, por lo que esta terapia al aumentar el oxígeno en el tejido, al mejorar la circulación, ayuda a cicatrizar estas heridas y aumenta la destrucción de algunas bacterias comunes.

Quemaduras de más del 20% y de segundo grado: El tratamiento hiperbárico disminuye el edema, ya que produce una vasoconstricción hiperóxica incrementando la generación de colágeno y matando ciertas bacterias anaeróbicas. El tiempo de curación en promedio se reduce.

A pesar de que en los casos mencionados y en otros más se ha comprobado que la terapia hiperbárica es beneficiosa, se recomienda que esta terapia vaya acompañada de medicamentos cuando estos son necesarios y otro tipo de tratamientos. Sólo en casos de descompresión e intoxicación severa por monóxido de carbono esta terapia no necesita un respaldo.

D. Accidentes ocurridos

Las cámaras hiperbáricas son cada vez más conocidas y utilizadas en el Perú. Lamentablemente, a pesar de que hay organismos que se encargan de su regularización, las normas que rigen su correcto uso no son respetadas. Es necesario que personal calificado defina el tratamiento adecuado y conozca el funcionamiento de la cámara.

En Lima hay legalmente nueve centros que realizan terapias hiperbáricas. Pero sus costos son muy altos, por lo que la mayoría de personas opta por un centro ilegal. Incluso hay spas y centros de

belleza que utilizan indiscriminadamente estas terapias atribuyéndoles ciertas cualidades milagrosas que estas no poseen.

Es por esto que en Lima ya se produjo el primer accidente. En febrero de 2006 una de las cámaras del centro de Hiperbárica del Perú explotó ocasionando la muerte de un señor que se encontraba dentro recibiendo tratamiento. El centro afirmó que el accidente se produjo por que el paciente ingresó con un objeto de metal, pero las autoridades sospechan que se trató de una negligencia. La presión en la cámara era excesiva y esta no resistió. Este es el accidente número 13 producido en el mundo.

VI. Conclusiones

Después de haber realizado todo este estudio llegamos a la conclusión que el proceso de respiración esta íntimamente relacionado con otros sistemas que hacen posible este mecanismo de respiración, complementándolo y permitiéndonos realizar diversas actividades.

Es necesario comprender las leyes de los gases para así entender como estos se trasladan de una célula a otra o a una cavidad dentro del cuerpo humano. No hay que olvidar que las leyes físicas también valen para nuestro cuerpo. Gran parte de la difusión hematogaseosa se realiza por la diferencia de presiones entre los capilares tisulares y el capilar alveolar.

Las terapias hiperbáricas han demostrado ser útiles en muchas patologías, pero no hay que olvidar que siempre es recomendable combinar esta terapia con un tratamiento farmacológico y cumplir con las normas de la organización que regula el uso de estas cámaras para evitar accidentes.

VII. Fuentes de información

Audesirk, Teresa & Gerald. Biología, la vida en la Tierra. Editorial Prentice Hall. 4ta edición. 1997, Mexico

Basmajian, John V. Anatomía. Nueva editorial interamericana. 6ta edición. 1972, México

Del Castillo Guillén M. & Linares Girela D. Bases biológicas y fisiológicas del movimiento humano. Editorial médica panamericana. 2002, España

Ganong, William F. Fisiología médica. Editorial El Manual Moderno. 17a edición. 2000, México

Guyton & Hall. Tratado de fisiología médica. Editorial Elsevier. 11a edición. 2006, España

Tresguerres, J.A.F. Fisiología Humana. Editorial Mc Graw-Hill. 2da edición. 2000, España

West, John B. Fisiología respiratoria. Editorial médica panamericana. 7a edición. 2005, Argentina

Autor: Dr. Antonio Viqueira Camaño http://medspain.com/n3_feb99/camhiperbaricas.html

http://www.rpp.com.pe/portada/nacional/21383_1.php

http://www.invertia.com/noticias/noticia.asp?idnoticia=1460008

http://www.peru21.com/P21Impreso/Html/2006-02-08/Ciudad0452481.html

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bVrevistas/folia/Vol13_N3_2002/terapia_oxigeno.htm

http://bomberosdelmundo.bligoo.com/content/view/52961/ Explota_Camara_Hiperbarica_en_Clinica.html

http://www.iqb.es/cbasicos/fisio/cap01/cap1_2.htm

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http://cnts.salud.gob.mx/diplomados/usoclinico/parte_01/seccion_02/sec02_04.htm

http://cnts.salud.gob.mx/diplomados/usoclinico/parte_01/seccion_02/sec02_06.htm