Ventilación pulmonar. Hematosis. Transporte gases. Regulación. Curva de disociación O2 – Hb. P50. Bqca Esp. Samantha Cardozo Fisiología Humana 2011

PROPÓSITOS DE LA RESPIRACIÓN • Proveer de O2 a los tejidos

• Eliminar CO2

RESPIRACIÓN • 4 Etapas funcionales: • VENTILACIÓN PULMONAR: Movimiento de entrada y salida de aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares. • DIFUSIÓN DE O2 Y CO2 entre los alveolos y la sangre. • TRANSPORTE EN SANGRE Y LÍQUIDOS CORPORALES DE O2 Y CO2 hacia las células y viceversa.

• REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN.

DIFUSIÓN DE O2 Y CO2 La difusión depende del gradiente de presión La presión de un gas es α a la concentración del gas En una mezcla de gases se debe considerar la presión parcial del gas

160 mm Hg Atmósfera: 760 mm Hg 600 mm Hg

DIFUSIÓN DE O2 Y CO2 Los gases disueltos en agua o en los tejidos corporales también ejercen presión. La presión de un gas en una disolución depende no sólo de su concentración, también de su coeficiente de solubilidad (α) El coeficiente de solubilidad es una medida de la fuerza con la que los gases son atraídos física o químicamente por la fase acuosa. P (atm) = [gas] (Vgas disuelto/Vagua) α

α 37°C

O °C

CO2

CO

N2

He

0,024

0,57

0,018

0,012

0,008

DIFUSIÓN DE O2 Y CO2 Fase gaseosa

HEMATOSIS

Fase disuelta

En función de los gradientes de concentración

PRESIÓN DEL VAPOR DE AGUA Presión de vapor del agua: Presión que ejercen las moléculas de agua para escapar a a través de las superficies HUMEDECEN EL AIRE INSPIRADO

P vapor de agua (mm Hg)

O°C

37°C

100°C

5

47

760

DIFUSION DE LOS GASES A TRAVES DE LOS LÍQUIDOS: FACTORES 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Gradiente de P entre las dos áreas Solubilidad del gas en el líquido Área de sección transversal del líquido PM del gas Distancia a través de la cual debe difundir el gas Temperatura del líquido

Dα

ΔPxAxS d x √PM

GAS

c.d.

O2

1

CO2

20,3

CO

0,81

N2

0,52

He

0,95

Coeficiente de difusión

Dependen del gas

DIFUSION DE LOS GASES A TRAVES DE LOS TEJIDOS O2 y CO2 son solubles en lípidos

Son solubles en las membranas celulares

COMPOSICION DEL AIRE ALVEOLAR Aire atmosférico (mmHg)

Aire atmosférico %

Aire humedificado (mmHg)

Aire alveolar (mmHg)

Aire espirado (mmHg)

N2

597

78,6

563

569

566

O2

159

20,8

149

109

120

CO2

0,3

0,04

0,3

40

27

H 2O

3,7

0,5

47

47

47

≠

RAZONES • • • •

En cada respiración el aire alveolar se renueva parcialmente Constantemente se absorbe O2 del aire alveolar Constantemente difunde CO2 desde la sangre pulmonar El aire atmosférico seco que penetra en los alveolos se humidifica antes de llegar a ellos.

RENOVACION DEL AIRE ALVEOLAR CAPACIDAD RESIDUAL FUNCIONAL: Cantidad de aire que queda en los pulmones después de una espiración normal ≈ 2.300 ml

VOLUMEN DE VENTILACION PULMONAR ≈ 500 ml VOLUMEN DEL ESPACIO MUERTO ≈ 150 ml

VOLUMEN DE VENTILACION ALVEOLAR ≈ 350 ml de aire nuevo que llega a los pulmones con cada respiración

Se renueva 1/7

CONCENTRACION DE O2 y PO2 EN LOS ALVEOLOS A > absorción de O2 hacia los tejidos < concentración A > penetración de O2 desde la atmósfera >concentración Durante el ejercicio moderado la ventilación alveolar puede cuatriplicarse para mantener la Po2

Respirando aire atmosférico, la Po2 nunca podrá ser superior a 149 mm Hg

CONCENTRACIÓN DE CO2 y pCO2 EN LOS ALVÉOLOS A > eliminación de CO2 hacia los alvéolos > concentración alveolar A > ventilación alveolar < concentración de CO2 en los alvéolos

PCO2 1/α VA

EFECTO DEL COCIENTE VA/Q SOBRE LA CONCENTRACIÓN ALVEOLAR DE LOS GASES

Aire humidificad PO2 = 149 mm Hg PCO2 = 0 mm Hg

→

Si VA = 0 VA/Q = 0 P gases en el aire alveolar se equilibran con P gases de sangre venosa

PO2 = 40 mm Hg PCO2 = 45 mm Hg

→

Si Q = 0 VA/Q = ∞ P gases en el aire alveolar se equilibran con P gases del aire inspirado humidificado

PO2 = 149 mm Hg PCO2 = 0 mm Hg

DIFUSION DE GASES A TRAVES DE LA MEMBRANA RESPIRATORIA • UNIDAD RESPIRATORIA (Lobulillo respiratorio) Bronquiolo respiratorio Conductos alveolares Atrios Alvéolos

MEMBRANA RESPIRATORIA

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Surfactante Epitelio alveolar Membrana basal alveolar Espacio intersticial Membrana basal del capilar Endotelio capilar 6 4

2

1

5

3

MEMBRANA RESPIRATORIA    

Espesor promedio: 0,63 μm Superficie total en adulto normal: 160 m2 Volumen de sangre en capilares pulmonares: 60 – 140 ml Diámetro de capilares: 8 μm

DIFUSION DE GASES A TRAVES DE LA MEMBRANA RESPIRATORIA. FACTORES INVOLUCRADOS 1) Espesor de la membrana 2) Superficie de la membrana 3) Coeficiente de difusión de los gases 4) Gradiente de presión GAS

c.d.

O2

1

CO2

20,3

CO

0,81

N2

0,52

He

0,95

CAPACIDAD DE DIFUSION DE LA MEMBRANA RESPIRATORIA: Volumen de un gas que difundirá por una membrana cada minuto para un gradiente de presión de 1 torr Capacidad de difusión del O2: 21 ml/min/torr Capacidad de difusión del CO2: 400 - 450 ml/min/torr

Capacidad de difusión del O2: 65 ml/min/torr

En el ejercicio

Razones???

Capacidad de difusión del CO2: 1200 - 1300ml/min/torr

1) Aumento del flujo sanguíneo pulmonar 2) Aumento de la ventilación alveolar

EFECTO DEL COCIENTE VA/Q SOBRE LA CONCENTRACIÓN ALVEOLAR DE LOS GASES VA es normal Q es normal

VA/Q = 1

VA/Q < 1 Perfunde pero no ventila Derivación fisiológica (Qdf) ≈ 2 % del GC

Sangre que fluye por vasos bronquiales y no por capilares alveolares

Para medirla…

CiO2 : [O2] en sangre arterial si VA/Q es “ideal” CaO2: [O2] arterial CvO2 :[O2] en sangre venosa mixta GC

Qdf = CiO2 - CaO2 GC CiO2 - CvO2

Cuando mayor sea la DF, mayor será la cantidad de sangre que no se oxigena a su paso por los pulmones…

VA/Q > 1 Ventila pero no perfunde ESPACIO MUERTO FISIOLÓGICO (VDfis): Zona ventilada pero no perfundida + Espacio Muerto Anatómico Para medirlo…

PaCO2 Presión parcial del CO2en sangre arterial PECO2 Presión parcial media del CO2en todo el aire espirado VT Volumen de ventilación pulmonar

Vdfis = PaCO2 - PECO2 VT PaCO2 Cuando mayor sea el EMF, mayor será la cantidad de aire ventilado que no llega a la sangre…mayor desperdicio del trabajo de ventilación

VA/Q VA / Q es 3 veces > al valor ideal GRADO MODERADO DE EMF

En el ejercicio aumenta el flujo en las porciones superiores, en consecuencia, disminuye el EMF

VA / Q es < al valor ideal GRADO MODERADO DE DF

TRANSPORTE DE O2 Y DE CO2 POR LA SANGRE Y LOS LÍQUIDOS CORPORALES

DIFUSION DE O2Y DE CO2 VENA PO2 40 mmHg PCO2 45 mmHg

ARTERIA PO2 95 mmHg PCO2 40 mmHg

INTERSTICIO PO2 40 mmHg PCO2 45 mmHg INTRACELULAR PO2 23 mm Hg PCO2 46 mmHg

ALVEOLO PO2 104 mmHg PCO2 40 mmHg

VENA PO2 40 mmHg PCO2 45 mmHg

CAPILAR PULMONAR PO2 104 mmHg PCO2 40mmHg

TRANSPORTE DE O2 97 % unido a Hb

PaO2 100 mm Hg ------ saturación de Hb 97 % PvO2 40 mm Hg ------ saturación de Hb 75 %

[Hb] 15 g/dl 3 % disuelto

0,29 ml (a) 0, 12 ml (v)

1 g de Hb transporta 1,34 ml de O2 15 g Hb transporta 20,1 ml O2 (sat 100 %) 19,4 ml O2 (sat 97%) 14,4 ml O2 (sat 75%)

Entrega a los tejidos 5 ml

Coeficiente de utilización: 25 %

Hb como amortiguador La pO2 tisular tiene un valor prácticamente constante a pesar de las variaciones de la pO2 alveolar

Volumen de O2 / 100 ml sangre

% de sat Hb

Hb fetal 20 100 %

15

75 %

10

50 %

EFECTO BOHR

La pO2 tisular 15 – 40 mm Hg

↓pH ↑ pCo2 ↑ t° ↑ 2, 3 DPG

28

40

100 pO2 (mm Hg)

DISPONIBILIDAD DE OXÍGENO • Depende de: • 1) Cantidad de oxígeno transportado por cada 100 ml de sangre (1:20) • 2) Intensidad del flujo sanguíneo: Q

TRANSPORTE DE CO2

CO2 + H2O _ac__ H2CO3 _ac__H+ + HCO3-

70 % HCO323 % unido a Hb y proteínas plasmáticas 7 % disuelto

CO2 + Hb – CO2Hb

CO2

HCO3

ClCO2 Cl-

PaCO2 40 mm Hg ------ disuelto 2,4 ml/100 ml PvCO2 45 mm Hg ------ disuelto 2,7 ml/100 ml

HCO3

Toma en los tejidos 4ml

EFECTO ALDANE: La fijación de O2 a la Hb disminuye la afinidad de ésta por el CO2

REGULACIÓN DE LA VENTILACIÓN CONJUNTO DE MECANISMOS DE CONTROL DE LA RESPIRACIÓN Y COORDINACIÓN CON LA CIRCULACIÓN Y METABOLISMO

EL SN AJUSTA EL RITMO DE VENTILACIÓN ALVEOLAR SEGÚN LAS NECESIDADES ORGÁNICAS

CENTRO RESPIRATORIO Compuesto por varios grupos de neuronas ubicados de manera bilateral en el bulbo raquídeo y la protuberancia anular

GRUPO RESPIRATORIO DORSAL Casi todas sus neuronas están ubicadas en el NÚCLEO DEL HAZ SOLITARIO (NHS) El NHS es la terminación nerviosa de los nervios Vago y glosofaríngeo (trasmiten señales de quimiorreceptores y barorreceptores)

GRUPO RESPIRATORIO DORSAL •

Este grupo de neuronas genera el ritmo básico de la respiración.

•

Señal de inspiratoria. La señal nerviosa que se transmite a los músculos inspiratorios primarios como el diafragma no es una salva instantánea de potenciales de acción. Por el contrario, en la respiración normal, la inspiración comienza débilmente y crece en forma de durante un período de unos 2 segundos. Cesa de forma repentina durante los 3 segundos siguientes, lo que interrumpe la estimulación del diagrama y permite que la retracción elástica de la pared torácica y los pulmones originen la espiración. Después, la señal inspiratoria comienza de nuevo otro ciclo, y así una y otra ves, con las espiraciones interpuestas. Por tanto, la señal inspiratoria es una señal de rampa, que permite un aumento sostenido del volumen de los pulmones La rampa inspiratoria se regula controlando: 1) velocidad de aumento de la señal de rampa 2) la duración de la señal: FR

• •

CENTRO NEUMOTÁXICO • •

• • •

•

Esta localizado dorsalmente en el núcleo parabranquial de la parte superior de la protuberancia, transmite señales al área inspiratoria. Su efecto principal consiste en controlar el punto de de la rampa inspiratoria y, por tanto, la duración de la fase de llenado del ciclo pulmonar. Señales neumotáxicas fuertes: la inspiración puede durar tan solo 0.5 segundos y el llenado es pequeño, Señales neumotáxicas débiles:, las inspiraciones pueden durar 5 segundos o más, llenando los pulmones con un gran exceso de aire. Por consiguiente, LA FUNCIÓN FUNDAMENTAL DEL CENTRO NEUMOTÁXICO CONSISTE EN LIMITAR LA INSPIRACIÓN. ESTO TIENE EL EFECTO SECUNDARIO DE AUMENTAR LA FRECUENCIA RESPIRATORIA, debido a que la limitación de la inspiración también acorta la espiración y todo el período respiratorio. Una señal neumotáxica fuerte puede elevar la frecuencia respiratoria de 30 ó 40 respiraciones por minuto, mientras que una señal débil pude reducirla a solo 3 a 5 respiraciones por minuto.

•

• •

•

GRUPO RESPIRATORIO VENTRAL DE NEURONAS

Localizado a ambos lados del bulbo, unos 5mm. por delante y por fuera del grupo de neuronas respiratorio dorsal, esta el grupo de neuronas respiratorio ventral, que se encuentra en el núcleo ambiguo por delante y el núcleo retroambiguo por detrás. La función de este grupo de neuronas difiere en varios aspectos importantes de la del grupo respiratorio dorsal. 1. Las neuronas del grupo respiratorio ventral permanecen casi totalmente inactivas durante la respiración normal tranquila. Por tanto, la respiración normal tranquila se genera a expensas de las señales inspiratorias repetitivas del grupo respiratorio dorsal, transmitidas fundamentalmente al diafragma, y la espiración se debe a la retracción elástica de los pulmones y de la caja torácica. 2. No se ha demostrado que las neuronas respiratorias ventrales participen en la oscilación rítmica básica que la controla la respiración.

•

• •

GRUPO RESPIRATORIO VENTRAL DE NEURONAS

3. Cuando el impulso respiratorio incrementa la ventilación pulmonar, se propagan señales respiratorias a las neuronas respiratorias ventrales desde el mecanismo oscilante básico de la zona respiratoria dorsal. Como consecuencia, el área respiratoria ventral aporta su contribución al impulso respiratorio. 4. La estimulación eléctrica de algunas de las neuronas del grupo ventral produce inspiración mientras que la estimulación de otras provoca espiración. Por tanto…

ESTAS NEURONAS CONTRIBUYEN TANTO A LA INSPIRACIÓN COMO A LA ESPIRACIÓN.

CENTRO APNEÚSTICO Localizado en la parte baja de la protuberancia Impide que se apague la señal en rampa, enviando señales al grupo respiratorio dorsal. Sólo cuando se han seccionado los nervios vagos en su trayectoria hacia el bulbo raquídeo y se han bloqueado las conexiones con el centro neomotáxico. Se presume que actúa junto con este centro en la regulación de la profundidad de la respiración.

REGULACIÓN QUÍMICA DE LA RESPIRACIÓN La finalidad última de la respiración es mantener las concentraciones adecuadas de oxigeno, dióxido de carbono e hidrogeniones en los tejidos. El exceso de dióxido de carbono o de hidrogeniones es la sangre estimula fundamentalmente al propio centro respiratorio y aumenta mucho la fuerza de las señales inspiratorias y espiratorias a los músculos respiratorios. Existe otro grupo de neuronas, un ÁREA QUIMIOSENSIBLE, situada solo a un quinto de milímetros por debajo de la superficie ventral del bulbo. Esta zona es extremadamente sensible a las variaciones de la pCO2 o de los hidrogeniones sanguíneos y excita a las demás porciones del centro respiratorio. H+ principal estímulo, CO2, atraviesa fácilmente barrera hematoencefálica, genera H+ (por disociación del ácido carbónico).

REGULACIÓN QUÍMICA DE LA RESPIRACIÓN Por otra parte, el oxígeno no tiene un efecto directo significativo en el centro respiratorio del encéfalo para el control de la respiración. Por el contrario, actúa casi exclusivamente sobre quimiorreceptores periféricos situados en los cuerpos carotídeos y aórticos y estos, a su vez, transmiten las señales nerviosas oportunas al centro respiratorio para el control de la respiración.

BIBLIOGRAFÍA  Best y Taylor: “Bases fisiológicas de la práctica médica”. 13ra. Ed. Editorial médica Panamericana. 2003. Gayton, A.: “Tratado de Fisiología Médica”. 8va. Ed. Interamericana McGraw-Hill. México. 1991. “Centro respiratorio” en www.cudi.edu.mx/salud2/libros/fisiologia www.worldalmanacforkids.com