Download Bases físicas del intercambio gaseoso

Fisiologia respiratorio
El aparato respiratorio
• Vías respiratorias
–
–
–
–
–
–
Fosas nasales
Faringe
Laringe
Tráquea
Bronquios
Bronquiolos
• Pulmones
Las vías respiratorias: Fosas
nasales
• Dos cavidades óseas
situadas sobre la
cavidad bucal.
• Rodeadas por el
paladar, los nasales, el
frontal y el etmoides.
• Separadas por el
tabique nasal, formado
por el etmoides, el
vómer y el cartílago
nasal
• En las paredes laterales
están los cornetes
Faringe
Faringe
• Tubo musculoso común a los aparatos
digestivo y respiratorio.
• Comunica con:
– La boca a través del istmo de las fauces
– El esófago
– Las fosas nasales a través de las coanas
– La laringe a través de la glotis
– El oído medio a través de las trompas de
Eustaquio.
Laringe
Laringe
• Tubo musculo-cartilaginoso que comunica la faringe con la
tráquea.
• Está delante de la faringe.
• Formado por el hueso hioides y nueve cartílagos; los
principales son el tiroides, el cricoides y la epiglotis.
• El cartílago tiroides forma una prominencia en el cuello, más
prominente en el hombre, llamada nuez de Adán.
Tráquea, bronquios y
bronquiolos
• La tráquea es un tubo de
13 cm de longitud y 2 de
diámetro.
• Está delante del esófago.
• Formado por anillos
cartilaginosos incompletos
• Se divide en dos bronquios,
que penetran en los
pulmones, y siguen
dividiéndose formando el
árbol bronquial.
• Los más finos se llaman
bronquiolos y terminan en
los alvéolos.
Pulmones
• Dos órganos de
forma cónica,
alojados en la caja
torácica
• El derecho es más
grande y tiene tres
lóbulos deparados
por cisuras.
• El izquierdo tiene dos
lóbulos.
Pulmones
• Los bronquios, las arterias y
las venas pulmonares
entran en cada pulmón a
través del hilio, y continúan
dividiéndose.
• Los bronquiolos terminan
en pequeñas vesículas
llamadas alvéolos.
• Los alvéolos están rodeados
por una red de capilares
sanguíneos.
• Los gases difunden entre
ellos.
Pulmones
Sección longitudinal de pulmón de cordero. Árbol bronquial.
Pleuras
• Los pulmones
están
recubiertos por
una membrana
doble: pleura
parietal y pleura
visceral.
• Entre ambas hay
un líquido
lubricante, el
líquido pleural.
El proceso respiratorio
• Ventilación pulmonar: inspiración y
espiración.
• Intercambio gaseoso entre el aire y la sangre.
• Transporte de los gases por la sangre.
• Intercambio gaseoso entre la sangre y los
tejidos.
• Respiración celular.
Etapas de la respiración
Atmósfera
O2 CO2
1
Ventilación: intercambio
de aire, entre la atmósfera
y los alvéolos pulmonares
2
Intercambio de O2 y CO2
entre el aire del alveolo y
la sangre
3
Transporte de O2 y CO2
entre los pulmones y los
tejidos
4
Intercambio de O2 y CO2
entre la sangre y los tejidos
Alvéolos
pulmonares O2 CO2
O2 CO2
Circulación
pulmonar
Corazón
Circulación
sistémica
O2
O2 + glucosa
CO2
CO2 + H2O + ATP
Célula
Respiración celular
mecánica de la respiración
Se entiende por
tanto los
movimientos de la caja torácica y de los pulmones, como los consecutivos
cambios volumétricos y de presión producidos en éstos.
MVR/LC
Inspiración: Entra aire
Espiración: Sale aire
Diafragma contraído
el volumen torácico aumenta
Diafragma relajado
el volumen torácico
La inspiración siempre es un
movimiento activo
La espiración en general es un
movimiento pasivo
disminuye
¿Por qué entra y sale el aire de los pulmones?
1. REPOSO
Palveolar
igual que
2. INSPIRACION
Patmosférica
Palveolar
3. ESPIRACION
menor que
Patmosférica
Palveolar mayor que Patmosférica
Presión alveolar
Presión dentro del alveolo, dado convencionalmente en cm de H2O, con referencia a una presión
atmosférica de cero. Así, una presión alveolar negativa indica que la presión alveolar es menor que la
atmosférica; una presión alveolar positiva indica que la presión es superior a la atmosférica.
Presión Atmosférica
Presión del aire ambiente, 760 mmHg promedio a nivel del mar. En los cálculos pulmonares, la presión
atmosférica que se toma como valor de referencia. es de 0 cm H2O. Las presiones mayores que la
atmosférica serán entonces positivas; las presiones menores que la atmosférica serán negativas.
INSPIRACION
Mecánica
ESPIRACIÓN
Mecánica
Volúmenes Pulmonares:
Volumen Corriente
(VC)
• Volúmen de aire que se inspira o
espira en cada respiración normal=
500 ml aprox.
Volumen de Reserva
Inspiratoria (VRI)
• Volumen adicional que se puede
inspirar en insp. Forzada= 3000ml
Volumen de Reserva
Espiratoria (VRE)
• Vol adicional max que se puede
espirar mediante espiración forzada=
1100ml
Volumen Residual
(VR)
• Vol que queda en los pulmones
despues de la espiración forzada=
1200ml
Capacidades Pulmonares:
Capacidad
Inspiratoria (CI)
• VC + VRI= 3500ml
• Capacidad de aire que se puede inspirar
Capacidad residual
funcional (CRF)
• VRI + VR= 2300ml
• Cantidad de aire que queda en los pulmones
al final de una espiración
Capacidad Vital (CV)
• VRI + VC + VRE = 4600ml
• Cantidad max de aire que se puede expulsar
con inspiración y espiración forzada
Capacidad pulmonar
Total (CPT)
• CV + VR=5800ml
• Vol max que se pueden expandir los
pulmones con el max esfuerzo
5800
Volumen
(ml)
2800
Final
inspiración
normal
Volumen
corriente
(500 ml)
Volumen de
reserva
inspiratoria
(3000 ml)
2300
1200
Final
espiración
normal
Volumen residual
(1200 ml)
Capacidad
inspiratoria
Volumen
de reserva
espiratoria
(1100 ml)
Capacidad
pulmonar total
Capacidad vital
4600 ml
Capacidad
residual
funcional
Tiempo
https://www.youtube.com/watch?v=mQLS
Q6qThsA
Presiones y Volúmenes durante la respiración
espontánea y la ventilación controlada
24
Bases físicas del
intercambio gaseoso,
Difusión de O2 y CO2 a nivel
pulmonar
MVR/LC
Bases moleculares de la difusion
gaseosa
• Todas moléculas de gases que intervienen en la
respiración se mueven libremente unas entre
otras
DIFUSION
fuente de energía
(movimiento cinético de las moléculas)
MVR/LC
MVR/LC
Presiones parciales de los gases
 “la presión es directamente
proporcional a la
concentración de cada
molécula de gas”
PRESIÓN
impacto
constante
de las moléculas
en movimiento
contra una
superficie.
La presión de un gas
que actúa sobre las
superficies de las vías respiratorias
y de los
alveolos es proporcional
a la suma de las fuerzas de impacto
de todas las moléculas de ese gas
que golpean la superficie en un
instante determinado.
MVR/LC
Presión parcial
La tasa de difusión de cada gas es directamente proporcional a la
presión originada por ese gas determinado.
Ejemplo:
Aire = 79% de Nitrogeno + 21% oxigeno.
Presión total
= 760mmHg
(a nivel del mar)
Presión parcial= N=600 mmGg
O= 160 mmHg
Presiones parciales se designan: Po2, Pco2, PN2
MVR/LC
LEY DE HENRY
• La presión de un gas en solución esta determinada por su
concentración y por el coeficiente de solubilidad del gas.
• Ejemplo:
• El CO2 tiene atracción física o química por las moléculas de agua
mientras que otras moléculas son repelidas.
• Cuando las moléculas son atraídas pueden disolverse mucho
mas sin producir un exceso de presión en la solución al contrario
de las que son repelidas las cuales desarrollan presiones
excesivas con mucho menos moléculas disueltas.
Presión
1 atm = 760 mmHg
= concentración de gas disuelto
Coeficiente de solubilidad
MVR/LC
20 veces
mas
soluble
Composición del aire alveolar su
relación con el aire atmosferico
Aire alveolar
(mm Hg)
Aire
atmosférico
N2
569.0
79.4%
597.0
78.62%
02
104.0
13.6%
159.0
20.84%
CO2
40.0
5.3%
0.3
0.04%
H2O
47.0
6.2%
3.7
0.50%
760.0
100%
760.0
100%
total
MVR/LC
1. El aire alveolar solo es sustituido parcialmente
por el aire atmosférico en cada respiración.
2. Se absorbe continuamente oxigeno del aire
alveolar.
3. El dióxido de carbono esta difundiendo
constantemente desde la sangre pulmonar a
los alveolos.
4. El aire atmosférico seco que penetra en las
vías respiratorias se humidifica antes de que
alcance los alveolos.
MVR/LC
Aire espirado
• Es una combinacion del aire del espacio
muerto y de aire alveolar.
• Su composición global esta determinada:
– Por la cantidad de aire espirado y por la cantidad
que es el aire alveolar.
MVR/LC
PRESION ALVEOLO-CAPILAR
PRESION DEL O2
La pO2 en el alvéolo es de 104 mmhg, en tanto, que la sangre venosa que
entra al capilar es de 40mmhg. porque ha perdido gran cantidad de oxígeno en
el trayecto por los tejidos.
Por lo tanto la diferencia
de presión 64mmhg hace
que el O2 difunda hacia
los capilares pulmonares
40mmhg
104mmhg
COMPOSICIÓN DEL AIRE
INSPIRADO Y DEL AIRE ESPIRADO
PRESION ALVEOLO-CAPILAR
PRESION DEL CO2
La pCO2 en el alveolo es de 40
mmHg levemente inferior a la
que viene de la sangre arterial
que entra a al capilar que es de
45 mmHg.
Esta diferencia de presión de 5mmhg
hace que difunda todo el CO2 desde
los capilares hacia los alvéolos
45mmhg
40mmhg
MVR/LC
Difusión de gases a través de la
membrana respiratoria
Unidad
respiratoria
300 millones en
ambos pulmones, 02
mm
MVR/LC
Las paredes alveolares son
muy delgadas y en su
interior existe una red de
capilares interconectados.
Los gases alveolares están
muy próximos a la sangre
de los capilares.
Por lo que el intercambio
entre el aire alveolar y la
sangre pulmonar se produce
en las membranas de todas
las porciones terminales de
los pulmones. “membrana
respiratoria” “membrana
pulmonar”
MVR/LC
Membrana respiratoria:
1. Capa de liquido que reviste el
alveolo y que contiene agente
tenso activo que disminuye la
tención superficial al liquido
alveolar.
2. Epitelio alveolar compuesto
de células epiteliales finas.
3. Membrana basal epitelial.
4. Espacio intersticial fino entre
el epitelio alveolar y la
membrana capilar.
5. Membrana basal capilar que
se fusiona con la membrana
basal epitelial.
6. Membrana endotelial capilar.
MVR/LC
Membrana respiratoria:
• Espesor: en algunas zonas es de: 0.2 micras y
en promedio es de 0.6 micras excepto en
los lugares que existe núcleos celulares.
• Superficie total: en un adulto normal es de: 70
m2
MVR/LC
• Las características de la membrana que favorecen la
rapidez de difusión son
•
En el adulto normal tiene una extensión de
aproximadamente 70m 2
• La cantidad total de sangre en toda la membrana es de 60 –
140ml
• La tasa de difusión es inversamente proporcional al
espesor de la membrana
• Capacidad de difusión de la membrana respiratoria:
Volumen de un gas que difunde a traves de la membrana
por minuto para una diferencia de presión de 1 mmHg
MVR/LC
Membrana Respiratoria
• La membrana respiratoria es muy delgada de .2 a
.5 μ de grosor.
• Unidad Respiratoria: Compuesta por bronquiolo
respiratorio, conductos alveolares, atrios y
alvéolos.
• El intercambio gaseoso ocurre entra la sangre y la
membrana de casi todas las porciones terminales
de los pulmones debido a la extensa red de
capilares que rodean los alvéolos.
MVR/LC
MVR/LC
MVR/LC
MVR/LC
Capas de la membrana Respiratoria
1.Una capa de liquido que tapiza el alvéolo y que contiene surfactante, lo que
reduce la tensión superficial del liquido alveolar.
2.El epitelio alveolar, que está formado por células epiteliales delgadas
3.Una membrana basal epitelial
4.Un espacio intersticial delgado entre el epitelio alveolar y la membrana
capilar
5.La tasa de difusión es inversamente proporcional al espesor de la
membrana
6.Capacidad de difusión de la membrana respiratoria: Volumen de un gas que
difunde a traves de la membrana por minuto para una diferencia de
presión de 1 mmHg
MVR/LC
Factores que influyen en la velocidad
de difusión gaseosa a través de la
membrana respiratoria
• El grosor de la membrana
• El área superficial de la membrana
• El coeficiente de difusión del gas en la
sustancia de la membrana
• La diferencia de presión parcial del gas entre
los dos lados de la membrana
MVR/LC
Capacidad de difusión de la
membrana respiratoria
• Se define como el volumen de un gas que
difunde a través de la membrana en cada
minuto para una diferencia de presión parcial
de 1mmHg
MVR/LC
MVR/LC
Capacidad de difusión del Oxígeno
• En el varón joven medio, la capacidad de difusion
del Oxígeno en condiciones de reposo es en
promedio 21ml/min/mmHg
• La diferencia media de presión de Oxígeno a
través de la membrana respiratoria durante la
respiración
tranquila
normal
es
de
aproximadamente 11mmHg
MVR/LC
• La multiplicación de esta presión por la
capacidad de difusión da un total aproximado
de 230ml de oxígeno que difunden a través de
la membrana respiratoria cada minuto
• Esto es igual a la velocidad en la que el cuerpo
en reposo utiliza el Oxígeno.
MVR/LC
Capacidad de difusión del dióxido de
carbono
• El dióxido de carbono difunde a través de la
membrana respiratoria con tanta rapidez que la
PCO₂ media de la sangre pulmonar no es muy
diferente de la PCO₂ de los alveolos(la diferencia
media es menor de 1mmHg) y con las técnicas
disponibles esta diferencia es demasiado
pequeña como para poder medirla
MVR/LC
Efecto del coeficiente de ventilaciónperfusión sobre la concentración del
gas alveolar
•
Para que la respiración externa se pueda producir eficientemente el pulmón, como
intermediario que es, pone en contacto la fase líquida -sangre con la fase gaseosa atmósfera-. ambas fases deben esta en continuo movimiento pues de no ser así se
lograría un equilibrio entre los gases a los pocos minutos y cesaría la vida.
•
A la circulación del gas la llamamos ventilación
•
Pasando a la fase líquida, al movimiento de sangre lo llamamos perfusión o
también el flujo de sangre a través de los tejidos.
•
Ayuda a comprender el intercambio gaseoso cuando hay un equilibrio entre la
ventilación alveolar y el flujo sanguíneo alveolar
•
Se expresa VA/Q
•
Cuando la VA es cero y sigue habiendo perfusión Q del alveolo, el coeficiente VA/Q
es cero
MVR/LC
• Una VA adecuada pero una perfusión Q cero, el
coeficiente VA/Q es infinito
• Cuando el coeficiente es cero o infinito no hay
intercambio de gases a través de la membrana
respiratoria de los alveolos afectados
• Una VA normal y un flujo sanguíneo capilar
alveolar normal, el intercambio de O₂ y CO₂ a
través de la membrana respiratoria es casi
optimo y la PO₂ alveolar esta normalmente a un
nivel de 104 mmHg y la PCO₂ es en promedio de
40 mmHg
MVR/LC
Espacio muerto fisiológico
Cuando VA/Q es mayor de lo normal
• La ventilación de algunos alveolos es grande pero el flujo alveolar
es bajo y se dispone de mucho más O₂ en los alveolos, así se dice
que la ventilación de estos alveolos esta desperdiciada.
• La ventilación de las zonas del espacio muerto anatómico de las
vías respiratorias también esta desperdiciada.
• La suma de estos dos tipos de ventilación desperdiciada se
denomina espacio muerto fisiológico.
• Cuando el espacio muerto fisiológico es grande, buena parte del
trabajo de ventilación es un esfuerzo desperdiciado por que una
elevada proporción del aire de la ventilación nunca llega a la
sangre.
MVR/LC
Transporte de oxígeno por la
sangre
• El 97 % es trasportado por la
Hemoglobina, formándose
Oxihemoglobina
• La hemoglobina contiene cuatro
átomos de hierro en forma de
ión ferroso, y cada uno de ellos
se une de forma reversible a
una molécula de oxígeno.
• El 3 % restante se transporta
disuelto en el plasma sanguíneo
Transporte de oxígeno por la sangre
Transporte de oxígeno por la sangre
• La hemoglobina es unas 200 veces más afín
por el monóxido de carbono que por el
oxígeno.
• En presencia de CO, se forma
carboxihemoglobina, de color rojo cereza, que
no puede transportar oxígeno.
• Se produce la muerte por hipoxia, pero no se
presenta cianosis
Transporte de dióxido de carbono por
la sangre
• El 65 % se transporta como ión bicarbonato,
(HCO3)- , disuelto en el plasma
• El 25 % se transporta unido a la hemoglobina,
en forma de carbaminohemoglobina
• El 10 % se transporta disuelto directamente
en el plasma
Respiración celular
• Proceso metabólico por el que
los nutrientes se combinan con
el oxígeno y se descomponen,
liberando energía.
• Ocurre en las mitocondrias de
las células
• Esta energía es utilizada para la
síntesis de moléculas de ATP
• El ATP es utilizado para realizar
otros procesos: biosíntesis,
contracción muscular, etc.
Respiración aerobia
C6 H12 O6 + 6 O2 ---> 6 CO2 + 6 H2O + energía (ATP)
El aceptor de los electrones desprendidos de los
compuestos orgánicos es el oxígeno.
Ocurre en varias etapas:
 Glucólisis
 Oxidación del ácido pirúvico
 Ciclo de Krebs
 Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Circulación pulmonar
Circulación pulmonar
• En reposo en 1 minuto pasa aproximadamente
toda la sangre por el pulmón
• La regulación del flujo sanguíneo pulmonar es
local, no autonómica.
• La hipoxia e hipercapnia local producen
vasoconstricción arteriolar para derivar la
sangre a un área mejor ventilada.
• Relacionada con el sistema de intercambio
gaseoso
• Circulación bronquial:
– abastece de sangre arterial al pulmón para las
necesidades de sus células
• Ambos sistemas producen uniones
(anastomosis), lo que hace que la sangre de la
vena pulmonar, es decir la que se ha oxigenado,
no esté oxigenada al 100%.
Circulación pulmonar
La resistencia de los vasos pulmonares
disminuye cuando aumenta el CG:
El flujo sanguíneo depende de la presión y de
la resistencia:
f= P/r ; r = P/f
f = Gasto cardiaco (5 L/min)
P = P media Arterial – P venosa (15-8)= 7
r = 7/5= 1,4 mmHg/L/min
Para aumentar el flujo (ejercicio p.ej.)
aumenta la PA ligeramente y disminuye la
resistencia por vasodilatación.
Mecanismos de control
Control de la Ventilación
El Control de la Ventilación está basado en un complejo
sistema en el que interactúan diferentes estructuras:
-centros respiratorios
-efectores musculares
-órganos sensores
CONTROLADORES
CENTRALES
SENSORES
quimio receptores
mecano receptores
EFECTORES
músculos
respiratorios
Sistema de Control de la Ventilación
El objetivo de su funcionamiento es:
mantener un nivel apropiado de gases y de pH sanguíneos
Pa02
PaCO2
pH
PATRON RESPIRATORIO
Volumen Minuto Espirado (VE) =
volumen corriente (Vc) x frecuencia respiratoria (f)
Sistema de Control de la Ventilación
EFECTORES
CONTROL CENTRAL
REPRESENTACION ESQUEMATICA DEL
SISTEMA DE CONTROL DE LA VENTILACION
CORTEZA CEREBRAL
Control voluntario
TRONCO ENCEFALICO
Control automático
MEDULA ESPINAL
PULMONES Y
VIA AEREA SUPERIOR
MUSCULOS
RESPIRATORIOS
Propioceptores
Receptores Pulmonares
Quimioreceptores
Periféricos y Centrales
Sistema de Control de la Ventilación
Esquema del Control Químico de la Ventilación
H+
ARTERIA
pCO2
CO2 + H2O
BARRERA HEMATOENCEFALICA
H+
QUIMIO RECEPTOR
CENTRAL
pO2
QUIMIO
RECEPTOR
PERIFERICO
pO2
pCO2
H+
pCO2
NEURONAS
INSPIRATORIAS
BULBARES
VENTILACION
PULMONAR
METABOLISMO
CELULAR
VO2 - VCO2
Sistema de Control de la Ventilación
Sistema de Control de la Ventilación
en la Ventilación Mecánica
CONTROLADORES
CENTRALES
BIOLOGICOS
SENSORES
quimio receptores
mecano receptores
CONTROLADORES
ELECTRONICOS
EFECTORES
músculos
respiratorios
SENSORES
TRANSDUCTORES
flujo aéreo
presión vía aérea
Patrón Respiratorio
EFECTORES
BOMBA-VALVULA
ELECTRO
MECANICA