principios físicos del intercambio gaseoso
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Principios físicos del intercambio gaseoso:
difusión de O2 y CO2 a través de la membrana respiratoria.
Difusión. Es el movimiento aleatorio de moléculas en todas las direcciones a través de la membrana respiratoria y los líquidos adyacentes.
Física de la difusión gaseosa y presiones parciales de gases.
Base molecular de la difusión gaseosa. Gases disueltos en los líquidos y tejidos del cuerpo son moléculas simples.Movimiento cinético provee la energía necesaria para que se produzca la difusión.El movimiento es rápido y en todas las direcciones.
Difusión neta de un gas en una dirección: efecto de un gradiente de concentración.
↑ Concentración a ↓ concentración
Presiones gaseosas en una mezcla de gases: “presiones parciales” de gases individuales. La presión se produce por los impactos de las partículas en movimiento contra una superficie.
La presión es directamente proporcional a la concentración de las moléculas del gas.
En la fisiología de la respiración O2, N2 y CO2
Presión parcial de un gas: la velocidad de difusión que genera cada uno de estos gases=presión que genera el gas solo. Se denominan Po2, Pn2 y Pco2.
Ejemplo: El aire es una mezcla de 79% N2 y 21% O2 y la presión de esta mezcla a nivel del mar es de 760 mmHg. La presión parcial del nitrógeno es de
600 mmHg y la del oxígeno es de 160 mmHg
Presiones de gases disueltos en agua y tejidos.
Estos gases también ejercen una presión porque también se mueven y tienen energía cinética.
Además, un gas disuelto en líquido al entrar en contacto con la membrana celular ejerce su propia presión parcial de la misma manera que un gas en fase gaseosa.
Factores que determinan la presión parcial de un gas disuelto en un líquido. Concentración del gas.
Solubilidad del gas ”Ley de Henry”
Difusión de gases entre la fase gaseosa de los alveólos y la fase disuelta de la sangre pulmonar.La presión parcial de cada uno de los gases en la mezcla de gas alveolar hace que las moléculas de ese gas se disuelvan en sangre de capilares alveolares.
Por otro lado, las moléculas de ese mismo gas ya disueltas en sangre están en movimiento aleatorio en el líquido de la sangre y algunas rebotan de regreso a los alveólos vel. A la que escapan = presión parcial en sangre.
La difusión neta está determinada por la diferencia entre las dos presiones parciales.
Presión de vapor de agua PH2O
Se le denomina así a la presión parcial que ejercen las moléculas de H2O para escapar a través de la superficie.
•Depende de la temperatura:
A temperatura corporal normal (37° C), la PH2O es de 47mmHg.
↑ Temperatura ↑ mov. Cinético de las moléculas ↑ PH2O
La diferencia de presión provoca difusión de gases a través de líquidos.
Si la presión parcial de un gas en mayor en una zona que en otra:
# de moléculas de
la zona de presión alta que rebotan
hacia la zona de presión
baja
# de moléculas
que rebotan en el sentido
contrario
Diferencia de presión para producir la
difusión
Factores que afectan la velocidad de difusión.
Diferencia de presión
Solubilidad del gas en líquido
• ↑ solubilidad del gas, ↑ # de moléculas disponibles para difundir
Área transversal del líquido• ↑ área, ↑ # total de
moléculas que difunden
Distancia a través de la cual debe difundir el gas
• ↑distancia, ↑ tiempo de difusión de todas las moléculas
Peso molecular del gas• ↑ vel. de mov. cinético
(inversamente proporcional a la raíz cuadrada del pm), ↑ velocidad de difusión.
Temperatura del líquido• Permanece constante
Difusión de gases a través de tejidos. Los gases importantes para la fisiología respiratoria son solubles en lípidos, lo que facilita su difusión por la membrana celular.
Las composiciones del aire alveolar y el aire atmosférico son diferentes.
1. El aire alveolar se sustituye de manera parcial por aire atmosférico en cada respiración.
2. El O2 se absorbe constantemente hacia la sangre pulmonar desde el aire pulmonar.
3. CO2 se está difundiendo de manera constante desde la sangre pulmonar a los alveólos.
4. El aire atmosférico seco que entra en las vías aéreas es humidificado incluso antes de que llegue a los alveólos.
Humidificación del aire en las vías aéreas.
El aire alveolar se renueva lentamente por el aire atmosférico.La capacidad residual funcional de los pulmones 2,300 ml. En cada respiración sólo 350 ml de aire nuevo entra y sale1/7 del volumen de aire alveolar es sustituido por aire atmosférico nuevo.
Importancia de la sustitución lenta del aire alveolar.Prevención de cambios súbitos de las concentraciones de gases en sangre ESTABLEAyuda a prevenir aumentos y disminuciones excesivas de la oxigenación tisular, de las concentraciones de dióxido de carbono y pH tisular si se llegara a interrumpir la respiración.
Concentración y presión parcial de oxígeno en los alvéolos. O2 se absorbe de alvéolos a sangre pulmonar y se respira O2 nuevo hacia los alvéolos desde la atmósfera.
La concentración de O2 alveolar está controlada por:
1. Velocidad de absorción de O2 hacia la sangre.
2. Velocidad de entrada de O2 nuevo a los pulmones por la respiración.
Concentración y presión parcial de CO2 en los alvéolos.
El dióxido de carbono se forma en el cuerpo, después la sangre lo transporta a los alvéolos y finalmente se elimina con la ventilación.
“La PCO2 alveolar ↑ en proporción directa a la velocidad de excreción de CO2”
“La PCO2 alveolar ↓ en proporción inversa a la velocidad de la ventilación”
Las concentraciones y las presiones parciales tanto del oxígeno y del dióxido de carbono en alvéolos están determinadas por:
1) Velocidades de absorción y excreción de ambos gases2) Magnitud de la ventilación pulmonar.
El aire espirado es una combinación de aire del espacio muerto y aire alveolar.
Difusión de gases a través de la membrana respiratoria.
Unidad respiratoria o lobulillo respiratorio está formada por: bronquiolo respiratorio, conductos alveolares, atrios y alvéolos.
300mill. de alvéolos en ambos pulmones. 0.2mm de diámetro.
Paredes alveolares delgadas y entre alvéolos está una red de capilares interconectados.
Lámina de sangre que fluye a través del espacio alvéolo-capilar.
Intercambio gaseoso aire alveolar/sangre pulmonar porciones terminales de los pulmones, no solo alvéolos.
1. Líquido con surfactante tapizando el alvéolo reducir tensión superficial del líquido alveolar.
2. Epitelio alveolar.3. Membrana basal epitelial.4. Espacio intersticial entre epitelio alveolar y membrana capilar.5. Membrana basal capilar (se puede fusionar con membrana basal
epitelial alv)6. Membrana del endotelio capilar.Grosor= 0.2-0.6mmÁrea superficial de MR: 70m2 (equivale a una sala de 7x10m)60-140ml de sangre en los capilares.Rapidez en el intercambio gaseoso.Capilar pulmonar de 5μm ¡eritrocitos deben compactarse!
Membrana respiratoria
Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria.
1. Grosor de la membrana.Vel. de difusión a través de MR inversamente proporcional al grosor de la membrana
↑ grosor de la MR líquido de edema en espacio intersticial de MR y alvéolos.
Gases ahora deben difundir a través de la membrana y de este líquido.
Fibrosis ↑ grosor de algunas partes de MR.
2. Área superficial de la membrana.↓ del área después de una resección del pulmón = + de la mitad.
En enfisema confluyen alvéolos desaparecen paredes alveolares cavidades son mayores que alvéolos originales pero A superficial ↓ hasta 5x.
A ↓⅓ - ¼ = deterioro en intercambio de gases a través de MR.
En reposo, deportes, ejercicio intenso hay mínima disminución del A superficial deterioro grave.
3. Coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana.Depende de: solubilidad del gas en MR e inversamente de la raíz cuadrada del PM del gas.
Vel. de difusión de MR casi = que en el H2O.
A una diferencia de presión dada, CO2 difunde 20x más rápido que O2, O2 difunde 2x más rápido que N.
4. Diferencia de presión parcial del gas entre ambos lados de la membrana.Diferencia entre presión parcial del gas en alvéolos y presión parcial del gas en sangre pulmonar.Diferencia entre ambas presiones = tendencia neta a que moléculas de un gas se muevan a través de la membrana.
Capacidad de difusión de membrana respiratoriaCapacidad de MR de intercambiar gas entre los alvéolos y sangre pulmonar.
Vol. de gas que difunde a través de MR por minuto para una diferencia de presión parcial de 1mmHg.
Capacidad de difusión del O2
En hombre joven medio es de 21ml/min/mmHg.
• 11mmHg de P. de O2 en respiración tranquila.
•11x21 capacidad de difusión = 230ml de O2 difunden por MR en 1 min. Velocidad a la que el cuerpo utiliza O2 en reposo.
↑ De la capacidad de difusión de O2 durante ejercicioAumenta flujo sanguíneo pulmonar y ventilación alveolar.
65ml/min/mmHg
Apertura de capilares pulmonares prev. cerrados o dilatación adicional de ya abiertos ↑ área superficial de la sangre hacia la que difunde el O2.
Mejor equilibrio entre ventilación de alvéolos y perfusión de capilares alveolares con sangre = cociente de ventilación-perfusión VA / Q
��
Capacidad de difusión de CO2
Nunca medido.
CO2 difunde tan rápido por la MR. PCO2 medida en sangre pulmonar no varía de la PCO2 de los alvéolos (1mmHg)
Coeficiente de difusión CO2 es 20x que el del O2, capacidad de difusión en reposo= 400-450ml/min/mmHg y en esfuerzo 1,200-1,300ml/min/mmHg.
Medición de la capacidad de difusión: método del CO.Capacidad de difusión del O2:
1. PO2 alveolar
2. PO2 de sangre pulmonar díficil, imprecisa.
3. Velocidad de captación de O2 por la sangre.
Se mide CD CO y se calcula CD O2.
• Se inhala CO hacia alvéolos.• Se mide presión parcial de CO en alvéolos con muestras de aire alveolar.• Presión de CO en sangre= 0. Hb se combina TAN RÁPIDO con CO (alta
afinidad) no se genera presión.• Diferencia de presión de CO a través de MR es igual a presión parcial en
muestra aire alveolar.• Vol. CO absorbido/PCO alveolar= capacidad de difusión de CO (CD CO)• CD CO= 17ml/min/mmHg x 1.23 = 21ml/min/mmHg
2 factores determinan PO2 y PCO2 en alvéolos:
1. Vel. de ventilación pulmonar
2. vel. de transferencia de estos por la MR.
Efecto de VA / Q sobre concentración de gas alveolar
• Aire del alvéolo llega a equilibrio con el CO2 y O2 de la sangre. Gases difunden entre sangre y gas alveolar.
• Sangre que perfunde alvéolos venosa gases se equilibran con los gases en esa sangre.
• PO2 alveolar = 40mmHg• PCO2 alveolar= 45mmHg.
VA / Q= 0Ventilación alveolar
Perfusión del alvéolo
• No hay flujo sanguíneo capilar que transporte oxígeno desde alvéolos.• No se lleva el CO2 a alvéolos.• Aire alveolar = aire inspirado humidificado no pierde O2 hacia sangre
ni gana CO2 desde ella.• PO2 alveolar = 149mmHg• PCO2 alveolar= 0mmHg
VA / Q= ∞ Ventilación alveolar
Perfusión del alveólo
• Intercambio de CO2 y O2 es óptimo• PO2 alveolar = 104mmHg (40mmHg sangre venosa - 149mmHg aire
inspirado)• PCO2 alveolar= 40mmHg (0mmHg aire inspirado – 45mmHg sangre
venosa)
VA / Q= normal = perfusión alveolar normal
Ventilación alveolarPerfusión del alveólo
Cortocircuito fisiológicoVA / Q ↓ de lo normal = ventilación inadecuada para aportar oxígeno y oxigenar completamente la sangre que fluye por capilares alveolares.
Una parte de la sangre venosa que atraviesa capilares alveolares NO se oxigena.
Sangre derivada.Adicional, sangre que fluye por vasos bronquiales en lugar de capilares = 2% GC = s. no oxigenada y derivada.
Espacio muerto fisiológicoVentilación de alvéolos es grande pero flujo sanguíneo alveolar bajo.
Más oxígeno en alvéolos de lo que se puede extraer de los propios alvéolos por la sangre.
Ventilación desperdiciada.Ventilación de zonas de espacio muerto anatómico de vías aéreas también se desperdicia.
Si espacio muerto fisiológico es grande = trabajo de ventilación es esfuerzo desperdiciado = aire de ventilación nunca llega a sangre.
Anomalías del VA / Q
1. VA / Q anormal en parte superior e inferior de pulmón normal.
Posición erguida.Ventilación alveolar y flujo sanguíneo capilar bajo en parte superior/inferior pulmón.Disminución de flujo sanguíneo > ventilación. Parte superior pulmonar: VA / Q= 2.5x de lo normal = espacio muerto fisiológico.Parte inferior pulmonar: VA / Q = 0.6 = cortocircuito fisiológico.Reducción eficacia pulmonar.
2. VA / Q anormal en enfermedad pulmonar obstructiva crónica.
Fumadores = obstrucción bronquial atrapamiento grave aire alveolar enfisema.Destrucción de paredes alveolares.Bronquios obstruidos = alvéolos distales no ventilados = VA / Q cerca de 0.Paredes alveolares destruidas pero con ventilación pulmonar = ventilación
desperdiciada por flujo sanguíneo inadecuado.Cortocircuito fisiológico + espacio muerto fisiológico.Reducción eficacia pulmonar.