Capitulo 18 intercambio y transporte de gases PDF

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Capítulo 18 Intercambio y Transporte de GasesEn el capítulo anterior analizamos los mecanismos de la respiración, los eventos que producen el flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones. En este capitulo nos abocaremos a los dos gases que son más importantes en fisiología, oxigeno y C...

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Uswa Rasool

Grado en Farmacia 2018/19

Capítulo 18 Intercambio y Transporte de Gases En el capítulo anterior analizamos los mecanismos de la respiración, los eventos que producen el flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones. En este capitulo nos abocaremos a los dos gases que son más importantes en fisiología, oxigeno y CO2, y ya veremos como se mueve entre los espacios aéreos alveolares y las células del cuerpo. El proceso puede dividirse en dos componentes: el intercambio de gases entre compartimentos, que hace necesaria la difusión a través de membrana celulares, y el transporte de gases en la sangre.

En esta imagen tenemos las presiones parciales de O2 y CO2 en diferentes lugares del sistema circulatorio. ***EXAMEN*** Los datos que aparecen en los cuadrados de la imagen (no los escribo ya que están en la imagen) Comenzamos con las presiones parciales en el aire (atmósfera) siempre en relación de 1 atm (760 mmHg). Seguimos con las presiones en el aire alveolar. Cuando la sangre ha pasado por los pulmones, saldrá cargada de oxígeno y habrá cedido CO2 esa sangre que será bombeada por el ventrículo izquierdo, llegará a los tejidos donde intercambiará con las células oxígeno, perdiendo una gran cantidad y ha tenido que captar CO2 producido por la respiración celular y sube por las venas hacia el corazón, para ser bombeada con esos valores hacia los pulmones. Recordad que estamos hablando de presiones parciales.

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La figura muestra las presiones parciales de oxígeno y CO2 en el aire, en los alveolos y en el cuerpo. La PO2 alveolar normal a nivel del mar es de unos 100 mm Hg. La PO2 de la sangre venosa “sin oxígeno” que llega a los pulmones es de 40 mm Hg. El oxígeno, por lo tanto, difunde siguiendo su gradiente de presión parcial (concentración) desde los alveolos hacia los capilares. La difusión alcanza un equilibrio y la PO2 de la sangre arterial que abandona los pulmones es la misma que la de los alveolos: 100 mm Hg. Cuando la sangre arterial llega a los capilares tisulares, el gradiente se invierte. Las células usan continuamente el oxígeno para la fosforilación oxidativa. En las células de una persona en reposo, la P O2 intracelular es, en promedio, de 40 mm Hg. La sangre arteria que llega a las células tiene una P O2 de 100 mm Hg. Como la PO2 es menor en las células, el oxígeno difunde, siguiendo su gradiente de presión parcial, desde el plasma hacia las células. Una vez más, la difusión alcanza el equilibrio; como resultado, la sangre venosa tiene la misma PO2 que las células que acaba de abandonar. Por el contrario, la PcO2 es mayor en los tejidos que en la sangre de los capilares sistémicos debido a que se produce durante el metabolismo. La PcO2 celular en una persona en reposo es de aprox 46 mm Hg, en comparación con la PcO2 del plasma arterial de 40 mm Hg. El gradiente hace que el CO2 difunda desde las células hacia los capilares. La difusión alcanza el equilibrio, y la sangre venosa sistémica tiene un promedio una PcO2 de 46 mm Hg. En los capilares pulmonares, el proceso se invierte. La sangre venosa que trae CO2 de desecho de las células tiene una PcO2 de 46 mm Hg. Como la PcO2 es mayor en el plasma, el CO2 se mueve desde los capilares hacia los alveolos. Cuando la sangre abandona los alveolos, su PcO2 es de 40 mm Hg, igual a la PcO2 de los alvéolos.

El intercambio alveolar depende de cuanto O2 está llegando a los alveolos que se explica mediante la frecuencia y profundidad de la respiración, la resistencia de las vías aéreas, la distensibilidad pulmonar y la ventilación alveolar. Y una vez que hemos llegado al alveolo, depende de la superficie, de la distancia de difusión (el espesor de la membrana) que pase más o menos oxígeno a la sangre capilar. Si padecemos de alguna patología evidentemente alguna de estas cosas se va a afectar, por ejemplo, si una persona no ventila bien, tiene una

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frecuencia respiratoria muy baja, se verán afectados los elementos anteriores. Y como consecuencia de la disminución de la ventilación alveolar vamos a tener una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre. Si hiperventila ocurrirá justo lo contrario, si tiene agua en el interior de los alveolos, los gases van a tener más dificultad para difundir. En resumen, que todo lo dicho anteriormente tiene que estar funcionando bien en condiciones fisiológicas para que todo siga funcionando correctamente.

Dice que a él lo que más le interesa es el espesor, la ventilación y el radio de las vías aéreas (vías aéreas se refiere hasta que llegamos al bronquiolo terminal).

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Transporte de O2 y CO2 en la sangre El oxígeno se transporta mayoritariamente unido a la hemoglobina de los hematíes, y el CO2 en forma de bicarbonato. Debemos dejar claro un concepto: lo que determina la presión parcial de un gas en un líquido es la cantidad de gas que está disuelta en ese líquido. Cuando decimos la presión parcial de oxígeno en la sangre es de 100 mmHg, nos referimos al oxígeno que está disuelto en el agua. Esto no quita que la cantidad de oxígeno que se va a unir a la hemoglobina va a depender de la presión parcial que tenga. Por eso podemos establecer una relación, si baja la presión parcial de oxígeno (menos oxígeno disuelto) significa que habrá menos posibilidad de que el oxígeno se una a la hemoglobina. Otro concepto que debemos tener en cuenta acerca de la hemoglobina es la capacidad de transporte de oxígeno, es decir cuántos mL de oxígeno puedo transportar por cada 100 mL de sangre, por ejemplo, que estará en relación con la presión parcial. En resumen, sabemos que para el oxígeno por cada mmHg de presión se disuelven 0,03 ml. Si sabemos que la presión de oxígeno en sangre arterial es de 100 mmHg llevamos disueltos 3ml de oxígeno (3ml por L de sangre).

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¿Cuál es el consumo en reposo, es decir las necesidades de oxígeno en nuestro cuerpo en una persona de talla media por minuto? -> 3,5 ml/kg/min. Cogemos a una persona de 70 kg como peso promedio, y realizamos este cálculo: 3,5 mL O2 /kg/min x 70 kg = 245 mL O2 / min Sabemos que tenemos disueltos 3 mL por litro de sangre, tenemos entre 4 litros de sangre. Esto significa que en un momento determinado tendríamos 3ml x 4ml = 12 ml de oxígeno en nuestra sangre. Los 3 ml son a 100 mmHg. Si el gasto cardiaco, es decir el flujo de sangre que bombea el corazón en reposo es de 5L/min. Es decir, con el oxígeno que tenemos disuelto aportamos aproximadamente 12-15 ml/min, lo cual está muy lejos del valor 245, lo que nos llevaría a la muerte, ya que si necesitamos 245 ml y solo le estamos aportando entre 12-15 ml/min nuestras células morirán. Para ello la naturaleza ha inventado un sistema con el que transportar una cantidad mayor de oxígeno por la sangre, estas son las proteínas que son capaces de fijar el oxígeno de manera reversible, la hemoglobina.

Hemoglobina como transportador de oxígeno La hemoglobina gracias a que posee un grupo químico específico que es el grupo hemo, es capaz de unir una gran cantidad de oxígeno de manera reversible. La característica esencial del grupo hemo es que tiene un átomo de hierro, que es el que tiene la capacidad de unirse con el oxígeno. Por ello aporta un color rojo, el color de la sangre. Para el CO2 la capacidad de transportar CO2 disuelto es de 0,7 ml/L sangre/ mmHg. Como la presión en sangre arterial es de 40mmHg, nos daría unos 28 ml aproximadamente. El concepto básico es que necesitamos a la hemoglobina para transportar una cantidad suficiente de oxígeno que cubra las necesidades celulares, tanto en reposo como en actividad. ¿Cuánto oxígeno puede transportar la hemoglobina? 197 ml de oxígeno / litro de sangre. La hemoglobina es capaz de transportar 1,33 ml de oxígeno/gramo de hemoglobina. La cantidad total de hemoglobina por litro está alrededor de 150 gr, por eso si multiplicamos 1,33 x 150 = 200 ml aprox. Es decir, gracias la hemoglobina, en vez de transportar 3 ml por litro (oxígeno disuelto) transportamos 200 ml/L + los 3ml disueltos, lo que da una capacidad de transporte de unos 203

ml/L sangre.

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Ahora sí nos sale 4 veces más que las necesidades de reposo de nuestras células. La cantidad normal de hemoglobina tiene un valor de unos 15 gramos/dL y determina la cantidad máxima de oxígeno que puede transportar, alrededor de 200ml/L. Por ello para situaciones con una demanda excesiva de oxígeno (ejercicio físico intenso) podemos morir porque nuestro cuerpo tiene límites. También sabemos que la presión parcial determina cuanto oxígeno se va a unir a la hemoglobina, si baja la presión parcial también lo hará la cantidad de oxígeno que va a transportar la hemoglobina.

Factores de los que depende la cantidad de O2 unida a hemoglobina El número total de sitios de unión de la hemoglobina se calcula a partir de cuantos eritrocitos (hematíes) tenemos y cuando hemoglobina transporta cada eritrocito. Este concepto se llama HCM (hemoglobina corpuscular media) que nos dice cuanta hemoglobina tiene cada hematíe. Otro elemento es la CHCM (concentración hemoglobina corpuscular media). La anemia se define por la cantidad de hemoglobina, por debajo de 12 gr decimos que hay una anemia, no por la cantidad de hematíes.

Se explican los fundamentos del transporte de los diferentes gases que se encuentran en nuestra sangre disueltos, así como unidos en la hemoglobina 1INTRODUCCIÓN→ LA SANGRE La sangre es el único tejido líquido del cuerpo, de esta forma, este compuesto por una serie de elementos y células. Las principales células que componen la sangre son los hematíes o glóbulos rojos. Estos se encuentran en torno a una cifra de 4’5 millones por mm3, y representan el 45% del volumen de la sangre; esto se conoce como hematocrito. Es razonable que se encuentren en esta cantidad tan elevada, ya que son los encargados de transportar el oxígeno desde nuestros pulmones hasta nuestras células. Estos hematíes logran este transporte de oxígeno gracias a la gran cantidad de moléculas de hemoglobina que poseen. La hemoglobina es una proteína globular formada por cuatro subunidades, en cada una de las cuales tenemos un grupo hemo, formado por un anillo tetrapirrólico con un átomo de Fe en el centro, el cual es el que se va a unir a las moléculas de O2 (es toda la estructura del grupo hemo la que presenta afinidad al oxígeno y no solo el átomo de Fe). Aunque además de unirse al O2, esta molécula también tiene cierta afinidad por el

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CO2, aunque mucho menor que la del O2. Sin embargo, hay un problema con esta molécula, ya que esta estructura tiene mucha más afinidad por el monóxido de carbono (CO) que por el propio oxígeno, lo que ocasiona todos los años muertes por envenenamiento, ya que al respirar este gas, la hemoglobina deja de transportar O2 para transportar CO.

2.SATURACIÓN DE LA HEMOGLOBINA Respecto a lo anterior, lo importante es que la hemoglobina posee cuatro grupos hemo; cuando estos cuatro grupos están unidos al Oxígeno decimos que esa hemoglobina está saturada al 100% (nod introducimos así en el concepto de saturación, que es muy importante clínicamente), de esta manera si solo tiene tres de sus grupos unidos a oxígeno estará saturada al 75% y así sucesivamente… Cuando nosotros juntamos los millones de moléculas de hemoglobina que está en la sangre, algunas estarán unidas por sus cuatro grupos, otras por ninguno, etc. Si hacemos la media de todos estos porcentajes de saturación nos da un valor que conocemos como saturación de oxígeno en la hemoglobina. Este valor ya se sitúa en un valor desde el 0% hasta el 100% pasando por todos los valores intermedios posibles. El valor de saturación de oxígeno en sangre de una persona sana está en torno a un 97% / 98%, ya que siempre hay algunos glóbulos rojos defectuosos o viejos. Este dato es de gran importancia para conocer el estado de un paciente, si le llega suficiente oxígeno a sus células, aunque para que este dato sea fiable y sepamos que de verdad le está llegando suficiente oxígeno a sus células hemos de saber antes si tiene suficiente hemoglobina o que la hemoglobina sea normal. Por ejemplo, para una persona con una anemia severa por muy saturada que esté esta, al no tener suficiente no le llegará al paciente la suficiente cantidad de oxígeno a las células. (Recapitulando todo lo visto en esta comisión y en parte de la anterior) Tenemos Pp, cantidad de hemoglobina, capacidad total de transporte y saturación de la hemoglobina como valores importantes para la medición de la cantidad de oxigeno que respiramos, añadiendo que la saturación de la hemoglobina puede ser un valor importante y fiable en el caso de que los valores anteriores sean todos correctos.

3.REGLAS DE UNIÓN DE LA HEMOGLOBINA AL O2 (CURVA DE DISOCIACIÓN DE LA HEMOGLOBINA) fisiológica tenemos casi el 100% de Hb saturada, aunque nuca llega a este, haciéndose una curva asintótica. Una de las ventajas de la Hb es que tiene un gran margen de saturación respecto de la Pp que pueda tener el O2, ya que esta puede bajar mucho, pero la saturación de la Hb apenas varía, de forma que aunque baje hasta unos 40 mm Hg la saturación sigue siendo de un 80%. Esta curva sigmoidea se puede desplazar a la izquierda o a la derecha dependiendo del pH, por ejemplo: cuando el pH desciende la curva se desplaza a la derecha, por lo que a cambios de la Pp los cambios en la saturación son mayores, por lo que podemos deducir que la hemoglobina ha perdido apetencia por el oxígeno. En el caso de que el pH aumente la hemoglobina aumenta su apetencia por el oxígeno. Pasa igual con la temperatura, al aumentar ésta, la hemoglobina pierde afinidad y cuando la temperatura disminuye gana afinidad. También pasa esto con otrasa sustancias, como con el 2’3fosfoglicerato, en lugares donde la concentración de este compuesto sea alta, la hemoglobina pierde afinidad y donde no hay, o es más baja, la afinidad aumenta. La presión parcial del CO2 también afecta de forma parecida al Ph o la temperatura.

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En lugares donde los músculos están trabajando, las condiciones son más ácidas, con una mayor temperatura, mayor cantidad de 2’3-fosfoglicerato y con una presión parcial de CO2 alta, por lo que en estas zonas la hemoglobina tenderá a soltar O2, ya que todas las condiciones son favorables para que ésta pierda afinidad por el oxígeno. En cambio, en los alveolos las condiciones son propicias para la captación de oxígeno, ya que tenemos un ambiente alcalino, temperatura más baja, ausencia de 2’3-fosfoglicerato y una presión parcial de CO2 más baja. Como dato a añadir, la Hb que ha perdido oxígeno se llama desoxihemoglobina, y la que tiene oxigeno se llama oxihemoglobina. Se va a terminar con la parte del respiratorio: como se regula la ventilación, como los niveles de O2, CO2 y pH condicionan las respuestas de los QUIMIORRECEPTORES, que están localizados en unos determinados lugares y monitorizan las presiones parciales de gases, de sangre arterial… y como consecuencia de la presión parcial de CO2 y los cambios que se puedan producir en el pH. 1.Sistemas de control. Regulación fisiológica 2. ¿Cómo controlan las neuronas del bulbo raquídeo la respiración? 3.Quimiorreceptores 3.1 Quimiorreceptores centrales 4.Apnea Cuando nos encontramos en una situación de tipo ventilación en la que se produce un descenso del O2 y un aumento del CO2, se van a poner en marcha dichos mecanismos (automáticos) para que incrementemos la velocidad, el ritmo ventilatorio, la profundidad de la inspiración o expiración, y la frecuencia con la que llevamos a cabo dichas acciones, las cuales están reguladas de manera automática por los centros respiratorios, sobre todo por el tallo encefálico y la protuberancia. Pequeña aclaración: (Este es por qué una persona que pretende suicidarse dejando de respirar, no podría hacerlo ya que cuando los niveles son alarmantes el centro amniótico se dispara y automáticamente te hace respirar. Al igual que en el caso de encontrarse una persona bajo el agua aguantando la respiración, llega un punto en el que comienza a respirar agua aunque no lo pretenda). Por tanto, la ventilación podemos modificarla voluntariamente hasta cierto punto ya que los mecanismos automáticos son los que se encargan de hacerlo de manera automática. (En situación de reposo, por ejemplo, durmiendo, no es necesario que estemos pendientes de la respiración). MUY IMPORTANTE: 1. Sistemas de control. Regulación fisiológica La respiración es un proceso arrítmico, lo que quiere decir que se asemeja al corazón, no lo podemos controlar. Existen algunos estímulos que regulan la respiración y estos son activados por unos quimiorreceptores, de los cuales existen varios tipos: medulares, que se encuentran en el sistema nervioso central y sirven para el CO2, y los periféricos que responden solamente a cambios muy marcados de la presión parcial de O2 arterial. Estos quimiorreceptores reciben el estímulo y lo llevan a través de las neuronas aferentes al cerebro, y mediante eferentes a las neuronas somáticas que inervan los músculos, en el caso de la expiración a los intercostales externos, diafragma y escalenos; y en el caso de la inspiración, a los intercostales internos y abdominales. Por ejemplo, si hay falta de oxígeno en sangre, los quimiorreceptores reciben la señal y aumentan la frecuencia y la energía de la respiración para aumentarlo, (el oxígeno). Además, el principal centro de control está situado en el bulbo raquídeo, donde se controla la actividad respiratoria.

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2. ¿Cómo controlan las neuronas del bulbo raquídeo la respiración? Las descripciones clásicas de cómo el cerebro controla la ventilación dividían el tronco del encéfalo en varios centros de control. Las descripciones más recientes, sin embargo, son menos específicas al asignar funciones a “centros” particulares, y, en lugar de ello, ven las complejas interacciones entre neuronas de una red.

Las neuronas respiratorias están concentradas principalmente en 2 zonas del bulbo raquídeo. En la parte izquierda una de las más importantes, el núcleo de tracto solitario (NTS), que contiene el grupo respiratorio dorsal (GRD) y controla principalmente los músculos de la inspiración. Las señales del GRD viajan a través de los nervios frénicos al diafragma, y a través de los nervios intercostales a los músculos intercostales. El NTS Recibe información sensorial de los quimiorreceptores y de los mecanos receptores periféricos a través de 2 nervios principales, el vago y el glosofaríngeo. El grupo respiratorio ventral (GRV) del bulbo tiene varias regiones con funcione muy diferentes. Una zona que se conoce como complejo pre-Botzinger contiene neuronas que se disparan espontáneamente y que pueden actuar como marcapasos básico para el rito respiratorio. Otras zonas controlan músculos usados para la espiración activa o para las inspiraciones mayores que lo normal, como las que se producen en el ejercicio físico intenso. Además, las fibras nerviosas del grupo respiratorio central inervan los músculos de la laringe faringe y la lengua únicamente para mantener las vías aéreas superiores abiertas durante la respiración. La relajación inadecuada de estos músculos al dormir contribuye a la apnea (más adelante se profundiza en esto).

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La acción integrada de las redes de control respiratorio puede observarse si se controla la actividad eléctrica del nervio frénico y de otros nervios motores. Durante la respiración en reposo, un marcapasos inicia cada ciclo y las neuronas inspiratorias incrementan gradualmente la estimulación de los músculos inspiratorios. Este aumento se llama a veces rampa, d...