BIOFÍSICARESPIRACIÓN

ROL DEL SISTEMA RESPIRATORIO

Primario:Transporte de O2 y de CO2.

Secundario:1. Equilibrio Ácido - Base2. Protección (bacterias, trombos)3. Regulación Hormonal: ECA, ON

Last update: 16/04/01

FACTORES FISICOS Y FISIOLOGICOS QUEINFLUYEN CADA PASO DE LA RESPIRACIÓN

Medio Externo: PO2 inspirado

Pulmones: ventilación, difusión y corto circuitosentre sangre arterial y venosa.

Sangre: flujo sanguíneo, concentración y afinidadde la hemoglobina por el oxígeno.

Tejidos: capilaridad

Células: mioglobina, mitocondria y enzimas

PROCESOS FISICOS RESPONSABLESDE LA RESPIRACIÓN

DIFUSIÓN: Es el movimiento de moléculas de ungas de una alta concentración a una bajaconcentración de acuerdo a sus presiones parcialesindividuales.

CONVECCIÓN: Es el movimiento de un gas de unaalta concentración a una baja concentración enfunción del movimiento del medio en que seencuentra dicho gas.

ELEMENTOS DE LA RESPIRACÓN

Inspiración: Espiración:- Activa - Pasiva- Presión Negativa - Recogimiento- Expansión de elástico

cavidad torácicay diafragma

RESPIRACIÓN Anatomía:- Pared

torácicaLey de Boyle: - Mús. Resp.- presión - Diafragma- volumen - Cav. Torácica

(P1 x V1 = P2 x V2)

Presiones pulmonares

PresiónAtmosférica

PL PresiónPT Intrapleural

PR PresiónAlveolar

PL = Presión Transpulmonar = P. Alveo. - P. Intrap.PT = Presión Transtorácica = P. Intrap. - P. Atm.PR = Presión Respiratoria = P. Alveo. - P. Atm.

INSPIRACIÓN

Músculos respiratorios expanden la pared torácica. El diafragma desciende. Expansión de la caja toráxica. presión intrapleural. Expansión los pulmones Entrada del flujo de aire. presión alveolar. Entrada de flujo de aire.

ESPIRACIÓN

Justo antes de la espiración:La presión alveolar es igual a la presión

atmosférica.Luego: Recogimiento elástico de los pulmones. Presión alveolar es vuelve mayor que la presión

atmosférica. Salida de flujo de aire.

Características Dinámicas del pulmón:RESISTENCIA (R)

Q (L /min) = P (mm Hg o cm H2O)R (mm Hg / L / seg)

Ley de Poiseuille: n = viscosidadR = 8 n l l = longitud de V.R.

r 4 r = radio de V.R.

Si r (x2) R (x16)Si R (x16) Q (x16)

Localización dela Resistencia

Flujos en las vías aéreas

• Flujo laminar:• Bajas tasas de flujo.• Las líneas de corriente son paralelas a la pared

del tubo.• Flujo transicional:

• Inestabilidad en las ramificaciones.• Formación de remolinos locales

• Flujo turbulento:• Desorganización total de la línea de corriente.

Ventilacion minuto (VE):

VE = (VT) x resp/min (FR)

Ventilacion alveolar minuto (VA) yespacio muerto (VD):

VA = (VT – VD) x FRVA = (450ml – 150) x 12 = 3,600 ml

Aire nuevo = Volumen + Espaciotidal Muerto

VT = volumen tidalVD = ventilacion del espacio muerto

Ecuacion del gas alveolar:PAO2 = [PB – PH2O] FIO2 – PaCO2

RQ

PIO2 = [PB – PH2O] x FIO2

RQ = VCO2VO2

PB = presion barometricaPH2O = presion de vapor de aguaFIO2 = concentracion fraccional de oxígeno inspiradoPaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonicoRQ = couciente respiratorioVCO2 = eliminacion de CO2VO2 = consumo de O2

PIO2 = 150 mm HgPAO2 = 100 mm Hg

500 cc

3000 cc

1100 cc

1200 cc

Relación Ventilación -Perfusión

Relación Ventilación -Perfusión

• Es la relación existente entre la ventilacióny el flujo sanguíneo dentro de lospulmones.

• La [O2] o la PO2 en cualquier unidadpulmonar está determinada por la relaciónentre la ventilación y el flujo sanguíneo.Asimismo para el CO2 y el N2.

Intercambio GaseosoRegional en los Pulmones

Intercambio GaseosoRegional en los Pulmones

• Las diferencias regionales en el pulmónafectan la localización de algunos tipos deenfermedades.

• El flujo sanguíneo aumenta del vértice a labase.

• La ventilación aumenta del vértice a labase.

• La relación ventilación-perfusión aumentadesde un valor muy bajo en la base, hastaun valor muy alto en el vértice.

Distribución de la ventilación y flujo sanguíneo de arriba haciaabajo en un pulmón en posición erecta. Observese que la relación

Ventilación-Perfusión (Va/Q) disminuye de arriba abajo en elpulmón.

COEFICIENTE Ve/Q REGIONAL

Zona 1: PA > Pa PA y Qp Efecto espacio muertoZona 2: Pa > PA > Pv. Recibe el 90% del O2 por ser la

más ventilada y perfundida.Zona 3: Pa > Pv > PA PA, Pa Qp

= Efecto“Shunt”.

FLUJO PULMONAR

• Es igual al gasto cardiaco (5 L/min)

VARIA POR:– Los cambios de la presión arterial– La Distensibilidad del árbol vascular– Los efectos hidrostáticos de la gravedad

Gases

• Consisten en moléculas muy separadasen el espacio.

• Las moléculas de los gases están enconstante movimiento caótico.

• La temperatura se considera como unamedida de la Energía Cinética Promediode todas las moléculas.

• La Presión de un gas resulta de loschoques de las moléculas del gas con lasparedes del recipiente que las contiene.

Leyes de los Gases

• Ley de Boyle (1660):“La presión de una cantidad fija de gas es

inversamente proporcional al volumen queocupa, siempre y cuando se mantenga latemperatura constante”.

P0 x V0 = P1 x V1

Leyes de los Gases

• Ley de Gay-Lussac (1808):“Si mantenemos constante la presión, los

cambios de volumen que experimentanuna cantidad fija de gas son directamenteproporcionales a los cambios detemperatura”.

V0 V1

P0 P1=

Composición del aireatmosférico

Oxígeno 20.98%Dióxido de Carbono 0.04%Nitrógeno 78.06%Otros 0.92%

Composición del aire a nivel del mar• A nivel del mar la presión es de 760 mm. Hg.

(1 atmósfera).• La presión parcial de los gases a nivel del mar

:Oxígeno: 0.2098 X 760 = 159.44 mm. Hg.CO2: 0.0004 X 760 = 0.30 mm. Hg.Nitrógeno: 0.78 X 760 = 593.26 mm. Hg.Otros 0.9 X 760 = 6.99 mm. Hg.

Presión del Vapor de Agua

• Cuando el aire penetra en las víasrespiratorias, el agua de estas vías seevapora y el aire se humidifica.

• La presión del vapor de agua depende dela temperatura del agua:

a 0° es de 5 mm Hg.a 37° es de 47 mm Hg.a 100° es de 760 mm Hg.

Ley de Henry

• Las moléculas atraídas por el agua sedisuelven más sin producir un exceso depresión en la solución.

• Cuando las moléculas son repelidas sedesarrolla presiones excesivas con pocasmoléculas disueltas.

Concentración de gas disueltoCoeficiente de solubilidadPresión =

Ley de Henry

• Coeficiente de Solubilidad:

Oxígeno 0.024Dióxido de Carbono 0.57Monóxido de Carbono 0.018Nitrógeno 0.012Helio 0.008

Leyes de los Gases

Gracias a las leyes de Boyle y GayLussac conocemos las relaciones que hayentre la presión, el volumen y latemperatura de un gas. Cuandocombinamos las 3 propiedades tenemosla Ecuación General de los Gases:

P0 X V0 P1 X V1

T0 T1

=

Transporte e Intercambio de Gases

• Membrana alveolo-capilar =epitelio alveolar, endotelio capilar, espaciointersticial y sustancia surfactante alveolar.

• Difusión (por diferencia de presiones) de O2 yCO2 en direcciones opuestas entre alveolos.

• La presión es directamente proporcional a laconcentración de las moléculas del gas.

• Presión de un gas en solución --> Ley de Henry

Capacidad de Difusión de laMembrana Respiratoria

“Volumen de un gas que difunde a través dela membrana por minuto para una diferenciade presión de 1 mm Hg.”

Capacidad de Difusión delOxígeno

• La capacidad de difusión de O2 es de 21ml. / min / mm. Hg.

• En ejercicio vigoroso la capacidad dedifusión del O2 se eleva hasta 65ml. / min / mm. Hg.

Capacidad de Difusión delDióxido de Carbono

• El coeficiente de difusión es 20 veces ladel O2.

• La capacidad de difusión en reposo es de400 a 450 mL /min / mm. Hg.

• En el ejercicio es de 1200 a 1300mL / min/ mm. Hg.

Difusión de los Gases

• La presión parcial de cada gas tiende aforzar a sus moléculas a disolverse.

• Primero en la membrana alveolar ydespués en la sangre de los capilares.

• A la inversa, las moléculas del mismo gasya disueltas en la sangre escapan denuevo a los alvéolos.

• La difusión neta está determinado por ladiferencia entre las 2 presiones parciales.

Difusión de los GasesLa difusión neta está afectada por:1. Diferencia de presión.2. Solubilidad del gas en el líquido.3. El área transversal de los vasos.4. La distancia que ha de recorrer el gas

que difunde.5. El peso molecular del gas.6. La temperatura del líquido.

Difusión de los GasesDifusión neta:

ΔP X A X Sd X PM

• D = Tasa de difusión.• ΔP = Diferencia de presión.• A = Área transversal de los vasos.• S = Solubilidad del gas.• d = Distancia de difusión.• PM = Peso molecular del gas.

D

Coeficiente de DifusiónRelativa

Oxígeno 1.0Dióxido de Carbono 20.3Monóxido de Carbono 0.81Nitrógeno 0.53Helio 0.95

Aire Alveolar• No tiene la misma concentración de gases

que el aire atmosférico.• El aire alveolar es sustituido parcialmente

por aire atmosférico en cada respiración.• Se está absorbiendo continuamente O2

del aire alveolar.• El CO2 está difundiendo desde la sangre a

los alvéolos.

Aire Alveolar

• En cada espiración los primeros 150 mLcorresponden al aire del espacio muerto yel resto (350 mL) es aire alveolar.

• Para analizar el aire alveolar debetomarse la última porción del aireespirado.

Concentración y PresiónParcial de O2 en los alvéolos

• Cuanto más rápido se absorbe el O2,menor es su concentración en losalvéolos.

• Cuanto más se respira O2 nuevo desde laatmósfera, mayor se vuelve suconcentración.

• La concentración de O2 y su presiónparcial está controlado por la tasa deabsorción de O2 a la sangre y por la tasade entrada de nuevo O2 a los pulmones.

Concentración y PresiónParcial del CO2 en los alveolos• El CO2 se forma continuamente en el

organismo y se descarga en los alvéolos.• Se elimina de los alvéolos por la

ventilación.• La presión de CO2 alveolar aumenta en

proporción directa a la tasa de excreciónde CO2 .

• La presión de CO2 disminuye enproporción inversa a la ventilaciónalveolar.

Transporte de O2 y CO2 en lasangre

• Una vez que el O2 ha difundido de losalvéolos a la sangre se transportacombinado con la hemoglobina (Hb).

• La Hb permite transportar 30 a 100 vecesmás O2 del que podría transportarse enforma de O2 disuelto.

• El CO2 es transportado de las células alos pulmones combinado con sustanciasquímicas en la sangre que aumenta sutransporte de 15 a 20 veces.

Difusión de Oxígeno a lasCélulas

• Las células siempre están utilizando O2.• La Po2 intracelular siempre es menor que

la Po2 capilar.• La Po2 intracelular varía entre 5 y 40 mm

Hg. Siendo el promedio de 23 mm Hg.• Sólo se requiere 1 a 3 mm Hg de O2 para

los procesos químicos celulares.

Difusión de Dióxido deCarbono desde las Células

• El CO2 se forma a partir del O2.• Su difusión es en dirección opuesta a la

del O2.• El CO2 puede difundir unas 20 veces más

rápido que el oxígeno.• Por esta mayor difusión necesita de

menor presión que el O2.

Transporte de Oxígeno• Existe 15 g de Hb por 100 mL de sangre.• Cada gramo de Hb libera 1.34 mL de O2.• En 100 mL de sangre arterial, con una

saturación de Hb del 100%, la Hb libera20 mL de O2 ó 20 vol. %.

• En la sangre venosa, con una Po2 de 40mm Hg y saturación de Hb de 75%, la Hbliga 14.4 mL de O2 ó 14.4 vol. %.

• O sea, en condiciones normales setransporta 5 mL de O2 a los tejidos porcada 100 mL de sangre.

Curva de Disociación de laOxihemoglobina

• A medida que aumenta la Po2 en sangre,aumenta el porcentaje de O2 ligado a laHb. Es el porcentaje de saturación de laHemoglobina.

• En la sangre arterial la Po2 es de 95mm Hg y la saturación de O2 es del 97%.

• En sangre venosa la Po2 es de 40 mm Hgy la saturación de la Hb es del 75%.

Curva de Disociación de laOxihemoglobina

• Desplazamiento a la derecha:1. Disminución del pH.2. Aumento de la concentración de CO2.3. Aumento de la temperatura de la

sangre.4. Aumento del 2,3 difosfoglicerato.

• Desplazamiento a la izquierda:1. Incremento del pH.2. Gran cantidad de Hb. fetal.

Efecto Bohr

• El incremento de ácidos o CO2 disminuyeel pH del plasma y mueve la curva dedisociación de la Hb hacia la derecha.

• un aumento de CO2 promueve unamayor entrega de O2 a los tejidos a igualPO2.

Transporte del Dióxido deCarbono

• Se transportan 4 mL de CO2 desde lostejidos a los pulmones por cada 100 mLde sangre.

• Sale de la célula en forma de CO2 y en loscapilares realiza varias reacciones físicasy químicas.

• 2.7 mL ó 2.7 vol% de CO2 se transportapor la sangre venosa y 2.4 mL por lasangre arterial, o sea, 0.3 mL setransporta de manera disuelta (7%).

Transporte del Dióxido deCarbono

• El CO2 en la sangre reacciona con el aguapara formar ác. carbónico.

• Cataliza la reacción la AnhidrasaCarbónica de los hematíes.

• A su vez el ác. carbónico se disocia enhidrogeniones e ión bicarbonato.

• Los H+ se combinan con la Hb., los ionesbicarbonato difunden del hematíe alplasma intercambiando con el ión Cl-.

• Este tipo de transporte representa el 70%.

Transporte del Dióxido deCarbono

• El CO2 reacciona con radicales amino dela Hb para formar :

carbaminohemoglobina (CO2Hb).

• Este tipo de transporte representa el 23%.

EFECTO DE HALDANE

La formación de deoxihemoglobina, aumenta laafinidad de la hemoglobina por el CO2.

Tampona el CO2 e indirectamente evita una mayoracidificación de la sangre.

Favorece:Toma de CO2 en los capilares y su eliminaciónen los pulmones.