FISIOLOGÍA PULMONAR

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. 

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.