DIPLOMADO DE
AEROMEDICINA Y TRANSPORTE DE CUIDADOS CRÍTICOS V GENERACIÓN
Fisiología Pulmonar
POR: E. en MEEC Dr.
Carlos Alberto Cortés Soto.
Agosto, 2018
" El aire es tu alimento y tu medicamento" - Aristóteles -
I.
INTRODUCCIÓN.
El organismo puede
considerarse como una máquina de combustión interna que utiliza múltiples
oligoelementos para obtener energía y así realizar múltiples funciones. Estos
procesos consumen oxígeno obtenido del aire atmosférico y producen anhídrido
carbónico.
Como esta combustión tiene
lugar en las células profundamente localizadas en cada uno de los tejidos, es
necesaria la conexión con la atmósfera y un posterior transporte, combinación
fisicoquímica y aprovechamiento de los gases dentro del torrente sanguíneo;
para lo que deberá existir un extenso territorio capilar separado de la
atmósfera por una membrana de mínimo grosor que prácticamente no interfiera con
una rápida difusión de estos gases.
En los mamíferos, este
problema se soluciona con la existencia de los pulmones y sobre todo de la unidad alveolo-capilar;
ambos protegidos dentro de la caja torácica que como elemento bomba-motor;
complementa el gran mecanismo intercambiador de gases y da pie al gran
mecanismo de la respiración.
II.
FISIOLOGÍA
RESPIRATORIA
ANATOMÍA
La cavidad torácica es la
principal estructura involucrada en la mecánica de la respiración y está
conformada por una porción ósea
(arcos costales, clavículas y esternón), una porción muscular (diafragma y músculos intercostales externos y accesorios)
y propiamente una porción orgánica
(pulmones).
Durante el proceso de
inspiración el trabajo es realizado en un 75% por el diafragma y un 25% por los
músculos intercostales externos, mientras que en una inspiración profunda
forzada los músculos accesorios (esternocleidomastoideos, escalenos y
pectorales) son los principales responsables. En contraparte en la espiración
forzada el involucro de los músculos de la pared abdominal e intercostales
internos realizan su aparición.
Este complejo sistema
respiratorio de forma estructural puede dividirse en 2 partes: aparato
respiratorio superior (nariz, faringe y estructuras asociadas) y aparato
respiratorio inferior laringe, tráquea, bronquios y pulmones). Según su
función puede dividirse en 2 partes: zona de conducción (nariz, faringe,
laringe, tráquea, bronquios, bronquiolos y bronquiolos terminales) y una zona
respiratoria (bronquiolos respiratorios, conductos alveolares, sacos
alveolares y los alveolos).
REGULACIÓN CEREBRAL DE LA
RESPIRACIÓN
Al ser la respiración un
proceso automático y rítmico (respiración
basal o eupnea); puede adaptarse constantemente ante necesidades del
organismo para el aporte de oxígeno necesario. Esta capacidad de adaptación es
regulada por distintos centros respiratorios existentes en algunas zonas del
tronco encefálico.
Los centros bulbares inspiratorios (grupo respiratorio dorsal de la
región ventrolateral) y los centros
bulbares espiratorios (grupo respiratorio ventral de la región
ventrolateral); permiten la sincronía de los movimientos respiratorios simétricos
y la coordinación del proceso respiratorio mediante la activación e inhibición
de uno u otro. El centro apneústico (en
región inferior de la protuberancia), estimula el grupo respiratorio dorsal e
induce inspiración prolongada o apneusis.
El centro neumotáxico (en región
superior de la protuberancia), que es estimulado por el grupo respiratorio
dorsal; normalmente inhibe al centro apneústico y por ende la apneusis.
Finalmente la corteza
cerebral, constituye la actividad voluntaria de la respiración, induciendo hiperventilación o la hipoventilación. Coordinando de manera
alterna la función de los músculos inspiratorios y espiratorios.
FÍSICA
DE LOS GASES
El intercambio de moléculas de
gas a través de membranas permeables es un fenómeno físico y una necesidad
biológica. Como las moléculas de gas están en constante movimiento y chocan de
modo aleatorio entre sí y con las superficies con las que se ponen en contacto,
deben ocupar un volumen, ejercer una presión y tener una temperatura.
ATMÓSFERA
La atmósfera terrestre está
compuesta por moléculas de gas que tienen masa y son atraídas hacia el centro
de la tierra por la gravedad; condicionando una presión de 760 mmHg a nivel del
mar debido a sus componentes 159 mmHg de Oxígeno (20.9%), 600 mmHg de Nitrógeno
(79%) y 1 mmHg de otros gases (0.1%).
El agua en su fase gaseosa,
también llamada vapor de agua; ejerce
también una presión parcial al encontrarse en una mezcla de gases. Un ejemplo
claro es el gas alveolar a nivel del mar; que al estar humidificado al 100% y a
temperatura corporal normal presenta una presión de 760 mmHg debido a que
presenta: una presión parcial de vapor de agua de 47 mmHg, presión parcial de
oxígeno (PaO2) de 101 mmHg, presión parcial de dióxido de carbono
(PCO2) de 40 mmHg y una presión parcial de nitrógeno (PN2) de 572 mmHg.
DIFUSIÓN Y SOLUBILIDAD
Como se había mencionado, las
moléculas de gas presentan movimiento aleatorio constante de un área de
concentración más alta, hacia un área de concentración menor hasta lograr un
equilibrio dinámico; este movimiento pasivo es llamado difusión y según Dalton se sabe que cada gas se mueve en respuesta
a su propio gradiente de presión, sin importar lo que puedan estar haciendo los
demás gases de la mezcla.
De la misma mantera cuando un
gas se pone en contacto con la superficie de un líquido, sus moléculas se mueven
hacia adentro y fuera del líquido; al ingresar se combina químicamente con
componentes del líquido; este principio es llamado solubilidad; donde el gas al ser disuelto ejerce una presión
parcial, mientras que las moléculas que sufrieron combinación química no lo
hacen y depende tanto del gradiente de presión parcial como de factores que
inciden en la capacidad de difusión a través de la membrana. Con el tiempo, el
número de moléculas de gas que dejan el líquido iguala al número de moléculas
de gas que ingresan en el líquido y se establece un estado de equilibrio
dinámico.
LEYES DE LOS GASES
Todas las variables o
componentes que rigen las propiedades físicas de los gases, se han descrito a
través del tiempo por distintos autores, estableciendo leyes que logran resumir
las bases científicas del aire.
-
Ley
del Gas Ideal: Si la cantidad de gas se mantiene constante es
posible predecir las interrelaciones de temperatura, presión y volumen bajo
diferentes grupos de condiciones. Es decir que cualquier modificación en una
variable del gas, deberá modificar otra variable y puede ser predecible.
-
Ley de
Boyle: Si la temperatura permanece constante, la presión variará
inversamente con el volumen.
-
Ley de
Charles: si la presión se mantiene constante, el volumen y la
temperatura variarán directamente.
-
Ley de
Gay-Lussac: Si el volumen se mantiene constante, la presión
y la temperatura variarán directamente.
-
Ley de
Dalton: en una mezcla de gases, la presión total es igual a la suma
de las presiones parciales de cada componente.
-
Ley de
Henry: la cantidad de gas que puede disolverse en un líquido es
proporcional a la presión parcial del gas al cual está expuesto el líquido.
-
Ley de
Graham: la capacidad de difusión de un gas es inversamente
proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular.
RESPIRACIÓN
La respiración es el mecanismo
biológico de que involucra la captación del O2 directamente del
ambiente, su intercambio de oxígeno a través de membranas permeables mediante
una difusión simple y una expulsión del metabolito final CO2; con el
principal objetivo de mantener una homeostasis respiratoria. Este mecanismo
puede ser descrito en dos parte: el intercambio O2/CO2 por
minuto por los pulmones (respiración
externa) y la relación del intercambio respiratorio a nivel tisular/celular
(respiración interna).
1.
Respiración Externa
El primer intercambio de gases
realizado en el proceso de la respiración es entre el ambiente y la sangre
capilar pulmonar; a través de una serie de estructuras tubulares hasta alcanzar
los millones de alveolos presentes en cada pulmón; donde la capacidad de
intercambio dependerá de la superficie de
intercambio, del grosor de la
membrana, del volumen y presión del gas ingresado; también
llamado respiración externa.
Existen diferencias regionales
de la ventilación en un individuo sano; ya que en posición erecta la presión
intrapleural es más subatmosférica en el vértice (-10) que en la base (-2); es
decir, la negatividad intrapleural de la base pulmonar es menor. Durante la
inspiración, se crea una presión más subatmosférica en el espacio pleural,
condicionando cambios en la presión a través del pulmón (presión transpulmonar); siendo mucho mayores en la base que en el
vértice, por tanto el volumen inspirado tenderá a distribuirse en los alveolos
basales y en consecuencia la ventilación basal es mayor.
Con base a esto, se han
descrito 3 áreas en términos de perfusión:
-
Zona
1: área
menos dependiente de gravedad y tiene presiones alveolares más altas que las
presiones arteriales pulmonares, lo que determina una ausencia de flujo
sanguíneo. Por tanto será una zona de
adecuada ventilación, pero mala perfusión.
-
Zona
2: área
de flujo sanguíneo intermiente y variable; depende fundamentalmente de la
presión en la arteria pulmonar con la presión alveolar; es decir depende más
del ciclo cardiaco. Por tanto será una zona de
adecuada ventilación y perfusión.
-
Zona
3: área
dependiente de gravedad de flujo sanguíneo constante. Es decir; es una zona de mal ventilación, pero adecuada perfusión.
1.
Respiración Interna
El intercambio O2-CO2
entre capilares sistémicos y las células o respiración interna; tiene como objetivo principal el aporte de
oxígeno a las células y como objetivo
secundario la eliminación de CO2 como metabolito final. Todo este
proceso depende principalmente de factores como: el metabolismo celular, la perfusión
regional y los gases en sangre
arterial.
La producción de CO2 en
1 minuto es de 200 ml y el consumo de O2 en 1 minuto es alrededor de
250 ml; por tanto el cociente respiratorio (CR) normal es de 0.8 (200/250). Este intercambio es esencial para realizar
numerosas reacciones bioquímicas a nivel mitocondrial que mantienen la vida; ya
que cuando estas no disponen de oxígeno, las vías aerobias no permiten la
producción de energía y por tanto se presenta una caída en las tensiones de
oxígeno celular que permiten la utilización anormal del oxígeno (disoxia) y no permiten satisfacer las
demandas metabólicas (hipoxia tisular);
activándose así el metabolismo anaerobio.
VOLÚMENES
RESPIRATORIOS
Dependiendo de los diferentes
niveles de profundidad de las fases inspiratoria y espiratoria en el ciclo
respiratorio, se pueden diferencias varias volúmenes de aire que se encuentran
en nuestros pulmones en un momento determinado.
1.
Volumen
de respiración pulmonar en reposo: cantidad de aire que
inspiramos (o espiramos) en cada respiración en condiciones de reposo.
Aproximadamente 500 ml de aire.
2.
Volumen
de reserva inspiratorio: cantidad máxima de aire que logramos
introducir en nuestros pulmones después de realizar una inspiración normal.
Aproximadamente 2500 ml de aire.
3.
Volumen
de reserva espiratorio: cantidad máxima de aire que logramos
espirar después de finalizar una espiración normal. Aproximadamente 1200 ml de aire.
4.
Volumen
residual: cantidad de aire que se queda en los pulmones después de
finalizar una espiración máxima y profunda. Aproximadamente 1200 ml de aire.
La suma de estos volúmenes será
definida como capacidad pulmonar.
1. Capacidad pulmonar Total: cantidad
de aire que se encuentra en nuestros pulmones después de realizar una
inspiración máxima y profunda. La capacidad pulmonar total es el producto de la
sumatoria de todos los volúmenes pulmonares. Aproximadamente 5400 ml de aire.
2. Capacidad vital pulmonar: cantidad
máximada de aire que podemos respirar después de realizar una inspiración
máxima y profunda. Es el resultado de la sumatoria de todos los volúmenes
pulmonares, exceptuando el volumen residual; es decir, la cantidad de aire que
nunca abandonará nuestros pulmones por muy grande que sea nuestro esfuerzo
espiratorio. Aproximadamente 4200 ml de
aire.
3. Capacidad inspiratoria: cantidad
máxima de aire que podemos inspirar después de finalizar una espiración normal
en reposo. Equivale a la sumatoria del volumen de ventilación pulmonar en
reposo y del volumen de reserva inspiratorio. Aproximadamente 3000 ml de aire.
4.
Capacidad funcional residual: cantidad de aire que se encuentra en nuestros pulmones después de finalizar una espiración normal en reposo. Es la sumatoria del volumen de reserva espiratorio y del volumen residual. Aproximadamente 2400 ml de aire.
Capacidad funcional residual: cantidad de aire que se encuentra en nuestros pulmones después de finalizar una espiración normal en reposo. Es la sumatoria del volumen de reserva espiratorio y del volumen residual. Aproximadamente 2400 ml de aire.
HEMOGLOBINA
Es vital conocerse el contenido de oxígeno sanguíneo,
(Condiciones normales: 12 a 16 g/100 mL de sangre) o volumen de oxígeno
presente en 100 ml de sangre (mL/dL); ya que la mayor parte del O2 está
combinado químicamente con la hemoglobina (Hb) y el resto está disuelto en
plasma. El porcentaje de la hemoglobina total que transporta o que está
saturada de O2 (SO2) es fácilmente abordada mediante la
oximetría de pulso; mientras que el oxígeno disuelto es un factor de la presión
parcial de O2 ejercida y su coeficiente de solubilidad (0.003).
La unión cíclica de 4 anillos
pirrol por puentes de metileno (molécula de porfirina)
presenta enlaces electrocovalentes para metales. El ion ferroso tiene 6 electrones en la órbita externa que están
disponibles para su combinación a esta; cuando un ion ferroso se combina con un
anillo porfirina se forman 4 enlaces con nitrógeno del pirrol; dando origen al grupo
hem. Los aminoácidos a su vez se
combinan químicamente para formar cadenas polipeptídicas alfa y dos betas; las
cuales se combinan para formar una la proteína globina. Estas cadenas presentan un nitrógeno en cada extremo,
capaz de enlazarse covalententemente; por lo que la unión de 4 moléculas hem y una molécula globina forman la
hemogobina.
EFECTO
BOHR Y EFECTO HALDANE
La Hb está en relación
estrecha con el potasio de los glóbulos rojos; que le confiere propiedades de
ácido débil. A medida que libera el oxígeno hacia los tejidos se convierte en
un ácido más débil y por consiguiente puede combinarse con hidrogeniones
intracelulares a medida que aumenta la concentración de CO2. El efecto Bohr hace referencia a la adición
de CO2 a la sangre que aumenta la liberación de O2 de la
Hb; mientras que el efecto Haldane hace
referencia al agregado de O2 a la sangre y por consiguiente aumenta
la liberación de CO2 de la Hb.
CURVA
DE DISOCIACIÓN DE LA HEMOGLOBINA
La hemoglobina presenta un
enlace reversible con el O2 ; una molécula de Hb es capaz de
transporta 1.34 ml de oxígeno; y mientras este continúe ingresando a la sangre,
presentará una saturación hasta el punto el que su nivel sanguíneo se
equilibrio con el atmosférico. Normalmente la Hb presenta una saturación del
50% a una PO2 de 27 mmHg (P50), del 75% a una PO2 de
40 mmHg (sangre venosa mixta que retorna a los pulmones para reoxigenación),
90% a una PO2 de 60 mmHg, del 95% a una PO2 de 80 mmHg y
del 97% a una PO2 de 97 mmHg; permitiendo graficarse como una curva sigmoidea
denominada curva de disociación de la Hb.
Esta curva presenta alteraciones, con su desplazamiento hacia la derecha
por menor afinidad de la Hb por el O2 (acidemia, hipertermina,
hipercapnia y aumento de 2,3-di-fosfoglicerato) o con su desplazamiento hacia
la izquierda por mayor afinidad de la Hb por el O2 (alcalemia,
hipotermia, hipocapnia y disminución de 2,3-di-fosfoglicerato).
I.
CONCLUSIÓN
El sistema respiratorio es un
sistema involuntario que cumple funciones vitales para una adecuada
ventilación/perfusión como lo son la respiración interna y externa, el intercambio
de gases, la captación y uso del oxígeno por parte de los tejidos, etc. Mismos
que pueden describirse desde el ámbito macroscópico con la entrada del aire
desde el medio ambiente o atmósfera y el uso de la anatomía torácica per se;
hasta los procesos microscópicos biomoleculares en que finaliza este complejo
proceso. Todos ellos realizados a la par del ciclo respiratorio y que pueden
verse modificados en estados de enfermedad crítica; condicionando estados
patológicos celulares que conllevan a la muerte.
II.
OPINIÓN
PERSONAL DEL TEMA
Es bien conocido que el conocimiento
de los procesos normales del cuerpo humano sustenta la base para reconocer los
sucesos anormales que conforman las patologías médicas en general. Y en lo
personal, el sistema respiratorio es uno de los temas más extensos dentro de la
medicina y su entendimiento puede llegar a ser confuso.
Es así, que la importancia del
intercambio de gases; principalmente del oxígeno desde la atmósfera hacia la
unidad alveolo-capilar no radica solo en la cantidad o porcentaje de concentración
del gas difundido o administrado; sino en la correcta función de la cascada
respiratoria hasta su aprovechamiento mitocondrial.
El paciente crítico ya sea
dentro de un área intrahospitalaria o bajo un transporte terrestre o aéreo; representa
el principal escenario para el entendimiento de estos amplios mecanismos; ya
que en cada caso, la física de los gases condicionará el principal reto para el
personal de salud, sin embargo el reconocimiento del nivel donde está la
afección permitirá un rápido y oportuno tratamiento para el mantenimiento de la
homeostasis en general.
III.
BIBLIOGRAFÍA
1. Shapiro B, Peruzzi W, Kozlowski-Templin R. (1996). Clinical
Applications of Blood Gases. 5th Ed. E.U.: Mosby. Pp: 381
2. Cohen
B, Hull K, Taylor J. (2015). Memmler´s structure an dfunction of the Human
Body. 11th Ed. E.U.: Lippincott Williams and Wilkins. Pp: 384
3. Hall
J. (2016) Guyton and Hall Textbook of Medical Phyisiology. 13th Ed.
International Edition. Elsevier Saunders. Pp: 1168.
4. Koeppen
B, Stanton B. (2010) Berne & Levy Physiology. 6th Ed. E.U.: Mosby/Elsevier.
Pp: 880.
5. Sherwood,
L. (2013) Introduction to Human Physiology. 8th Ed. Inglaterra. Cengage
Learning. Pp: 563.
