Gases-Respiración Externa clase

Gases – Respiración Externa
Respiración
• Interna o Celular
• Externa
1
•Respiración Interna o Celular
- Común a casi todos los seres vivos
- Implica el intercambio de ciertos gases entre el
medio y las células.
- Utilización de un gas oxidante para la oxidación
de compuestos orgánicos.
- En la mayoría de las células implica la absorción
de O2 y remoción de CO2.
- A cargo de las mitocondrias en células eucariotas.
• Respiración Externa
- Exclusiva de organismos pluricelulares.
- Se produce a través de mecanismos que permiten
el intercambio de los gases que participan en la
respiración interna entre el medio y el organismo.
- En el caso de organismos pluricelulares terrestres
estos mecanismos finalmente permiten el intercambio de gases entre la atmósfera y los tejidos.
2
Respiración Externa
• Ventilación o intercambio
de gases entre la atmósfera
y los alvéolos pulmonares
ETAPAS
• Intercambio de O2 y CO2
entre el aire alveolar y la
sangre
• Trasporte de O2 y CO2
entre los pulmones y los
tejidos
• Intercambio de O2 y CO2
entre la sangre y los tejidos
Órganos de la cavidad torácica
3
Sistema respiratorio
Bronquíolo y Alvéolo
4
Vías Aéreas
Propiedades y comportamiento
de los gases
5
Variables de estado:
•Presión = Fuerza / área⊥
P = F/S
Unidades: N/m2= Pascal, dina/cm2= Baria, atm, mmHg
• Volumen (V): espacio ocupado por la masa gaseosa.
Unidades: m3, dm3 ≡ L, cm3 ≡ ml
• Temperatura (t o T): relacionada con la energía cinética de
las moléculas que constituyen el gas.
Unidades: °C (t), K (T)
T (K) = 273,16 + t (°C )
• Composición: tipo y cantidad de sustancia en la masa
gaseosa.
Unidades: mol
número de moles = masa/masa molar
n= m/Mr
Modelo del gas ideal: Leyes
•Ley de Boyle-Mariotte
a T= cte
P.V = cte
o P1.V1 = P2.V2= cte (T, m, nat gas)
P1.V1/T1 = P2.V2/T2
o
•Ley de Charles-Gay Loussac
a P= cte
V/T = cte
o
V1/T1 = V2/T2= cte (P, m, nat gas)
P.V/T = cte (m, nat gas)
6
Modelo del gas ideal: Leyes
• Hipótesis de Avogadro: volúmenes iguales de gases distintos en la mismas
condiciones de presión y temperatura tienen el mismo número de moléculas. En
particular, si el número de moléculas es NA (se trata de 1 mol de moléculas o sea
n=1) y las condiciones de P y T son las normales (CNPT, P = 1 atm y T = 273,16
K), todos los gases ocupan el mismo volumen (volumen molar) de 22, 4 L
P.V/T = cte = n.R (Ec. general de estado)
Modelo del gas ideal: Leyes
• Ley de Dalton de las presiones parciales: en una mezcla de gases, cada gas ejerce su
propia presión parcial. La presión parcial de un gas “i” (pi) en una mezcla de gases es la
presión que ejercería si estuviese solo (su propio número de moles ni) en las mismas
condiciones de volumen y temperatura de la mezcla.
para la mezcla:
pi = ni . R.T/V
donde T y V temperatura y volumen de la mezcla
P = n. R.T/V
donde P y n son la presión y el número
moles totales (n = ∑ ni) de la mezcla
Relacionando:
pi/P = ni/ n = xi (fracción molar del gas “i”)
Sumando las pi:
∑pi = ∑(ni.R.T/V )=(RT/V)· ∑ni =n R.T/V = P
p i = xi . P
P = ∑ pi
La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada gas de la mezcla
7
Modelo del gas ideal: Leyes
• Ley de Amagat de los volúmenes parciales: en una mezcla de gases, cada gas ocupa su propio
volumen parcial. El volumen parcial de un gas “i” (Vi) en una mezcla de gases es el volumen
que ocuparía si estuviese solo (su propio número de moles ni) en las mismas condiciones de
presión y temperatura de la mezcla.
Vi = ni.R.T/P
donde T y P temperatura y volumen de la mezcla
para la mezcla:
V = n.R.T/P
donde V y n son el volumen y el número de moles
totales (n = ∑ ni) de la mezcla
relacionando:
Vi/V = ni/ n = xi (fracción molar del gas “i”)
La fracción en volumen de un componente es la fracción molar del mismo.
recordando que el porcentaje volumen en volumen (%V/V) de un componente es el volumen
ocupado por ese componente por cada cien volúmenes de mezcla concluimos que:
%V/V = Vi/V .100
%V/V = xi . 100
Ley de Henry: solubilidad de gases en líquidos
Los gases se disuelven en líquidos. A una dada temperatura, la concentración máxima
alcanzada por el gas en la fase líquida (su solubilidad) depende de la presión parcial del gas
en la fase gaseosa en contacto con el líquido. Por ejemplo, para el CO2:
8
Constantes de Henry para algunos gases en agua
A mayor constante de Henry mayor es la solubilidad del gas en el líquido
Ley de Henry: solubilidad de gases en líquidos
Entonces, como medida de la
concentración de un dado gas
en un líquido, podemos hablar
directamente de la presión parcial
con la que está en equilibrio ese
gas en fase gaseosa en contacto con
el líquido, a una dada temperatura.
¿Qué significa afirmar que la pCO2
en sangre es de 46 mmHg?
La solubilidad de los gases en líquidos disminuye
con el aumento de la temperatura y aumenta con
el aumento de la presión en fase gaseosa
9
Difusión:
Partiendo de un sistema en el cual existen gradientes de presión, y por lo tanto de
concentración, de uno o más gases de una solución, la difusión es el proceso por el cual se tiende
espontáneamente a uniformar la presión o concentración en toda la extensión de la solución.
Las moléculas de los gases difunden espontáneamente desde zonas de mayor presión parcial o
concentración a zonas de menor presión parcial o concentración del componente en cuestión.
La velocidad de difusión de moléculas en fase gaseosa es mucho mayor que en medios
líquidos.
La primera ley de Fick es la que describe matemáticamente el proceso de difusión:
• Ley de Fick: la cantidad de materia que atraviesa una sección perpendicular a la
dirección de movimiento en la unidad de tiempo (velocidad de pasaje) es propocional al
gradiente de concentración.
El gradiente de concentración (C1-C2/L) es la variación de la concentración con la
distancia.
m/t = - D. S. (C1- C2)/L
donde: m es la masa o número de moles; t el tiempo; S es la superficie; L la distancia entre los
puntos 1 y 2 con concentraciones C1 y C2; D coeficiente de difusión.
Equivalente de la ley de Fick expresada en presiones parciales:
m/t = - K. S. (p1- p2)/L
10
Ventilación
Respiramos aire atmosférico
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la tierra y ejerce una
fuerza (su peso) sobre la superficie terrestre (presión).
A nivel del mar y 45° de latitud, la presión es de 760 mmHg ≡ 1 atm y
varía con la posición en el globo terraqueo: desciende con la altitud y se
incrementa con la latitud.
Está compuesta por (%V/V):
20,93 % de O2
0,03 % de CO2
79,04 % de N2 y otros gases inertes
Si hay vapor de agua, disminuyen proporcionalmente todos los
porcentajes.
11
Medida de la presión atmosférica
Patm
vacío
En condiciones de equilibrio estático,
la fuerza ejercida por el peso de la
atmósfera sobre la superficie libre del
mercurio (presión atmosférica) es
equivalente al peso ejercido por la
columna de mercurio encerrada en el
tubo sobre la superficie del mismo (s)
1 atm = mHg.g/s = δHg.g.VHg/s =
= δHg.g.s. hHg/s = δHg.g.hHg= ρHg.h
Experiencia de Torricelli
1 atm = 760 mmHg
Presiones parciales de los gases atmosféricos (en mmHg)
Aire seco
Aire saturado con
vapor de H2O a 37°C
O2
160
139
CO2
0,3
0,3
N2 y otros
600
574
H2O
47
12
Presión transmural (Ptr)
Es la diferencia entre la presión en la cavidad de un órgano (Pi) y la
exterior ejercida por las estructuras que rodean al órgano (Pe):
Ptr = Pi-Pe
En los pulmones a la Ptr se la denomina presión transpulmonar (Ptrp) y
su valor al final en la espiración tranquila es aproximadamente:
Ptrp=Pi (en la cavidad) - Pe (en el espacio pleural) =760 mmHg - 755
mmHg =5 mm Hg
En condiciones estáticas la Ptrp es contrarrestada por las fuerzas de
retracción elástica del sistema pulmones-tórax.
La fuerza de retracción elástica es la que determina la existencia de una presión
subatmosférica en la cavidad pleural e incluye 2 componentes principales:
• las fuerzas ejercidas por las fibras elásticas del parénquima pulmonar
• la tensión superficial en la interfase aire alveolar-alvéolo que, por la geometría
alveolar (burbujas de radio pequeño), tiende a colapsar las cavidades alveolares.
13
El aire entra en los pulmones y sale de ellos mediante los
movimientos respiratorios que son dos: Inspiración - Espiración
Entra aire
Sale aire
Diafragma e intercostales
externos contraídos
El volumen torácico aumenta
Diafragma e intercostales externos relajados
Retracción elástica de los pulmones
El volumen torácico disminuye
La presión intrapulmonar disminuye
La presión intrapulmonar aumenta
Inspiración (activa)
Espiración (pasiva)
Ciclo Respiratorio
14
Volúmenes y Capacidades Respiratorias
VRI
VRE
Distensibilidad de los pulmones y la caja torácica
ΔV
ΔP
= distensibilidad
o adaptabilidad
Es una medida estática de la
retracción pulmonar y del tórax.
15
Factores mecánicos participantes en los movimientos respiratorios
Durante los movimientos respiratorios se ponen en juego fuerzas
mecánicas para vencer resistencias.
Resistencia elástica de los pulmones: fuerza de
retracción elástica de las paredes pulmonares.
En Inspiración
(contracción
de músculos
inspiratorios)
Resistencia opuesta por los tejidos no elásticos:
aparece por la fricción de los tejidos que se
desplazan durante la inspiración (caja torácica,
diafragma, vísceras abdominales).
Resistencia al flujo aéreo: fuerza que se opone a
la circulación del fluido (aire) y depende de la
viscosidad del mismo, de la longitud y área del
árbol bronquial.
Fuerza elástica: al cesar la fuerza que distendía a
los pulmones y al tórax, la propiedad elástica recupera, en forma pasiva, al complejo pulmonestórax a su volumen inicial
En Espiración
(relajación de
músculos
Resistencia hística no elástica: al igual que en la
inspiración, en la espiración se produce fricción
de los tejidos al desplazamiento. La fuerza de
recuinspiratorios)
peración elástica es la responsable de vencer esta
resistencia.
Resistencia al flujo aéreo: al igual que en la inspiración existe resistencia a la circulación del aire
espirado.
16
Surfactante pulmonar
Es una sustancia tensioactiva existente en la fina capa acuosa que tapiza los alvéolos pulmonares. Los componentes mayoritarios son
fosfolípidos (88%), proteínas (10%) y otros componentes menores.
Los alvéolos pulmonares se comportan como pequeñas burbujas de
aire interconectadas sumergidas en el estroma de los pulmones. Esta
geometría (esférica) determina la tendencia al colapso, generando una
presión superficial resultante que depende de la tensión superficial del
fluido que tapiza los alvéolos y del radio de los mismos (Ley de
Laplace para geometría esférica):
P = 2γ / r
donde: P presión superficial resultante,
γ tensión superficial y r radio de la
esfera
rA
rB
A menor radio mayor es la tendencia al colapso y en consecuencia, a
medida que progresa la espiración la tendencia al colapso aumentaría. Además, al estar interconectados, se favorece el colapso de los
alvéolos mas pequeños con expansión de los mas grandes.
17
La presencia del surfactante, al disminuir la interacción (cohesión) entre moléculas del agua en la superficie alveolar, disminuye la tensión superficial de la
interfase aire-agua haciendo que el esfuerzo (trabajo) respiratorio disminuya.
aire
Po
Sin surfactante
agua
aire
Con surfactante
Po
agua
Como actúa el surfactante durante el ciclo respiratorio?
Inspiración: • radio alvealor (r) aumenta → las moléculas del surfactante se expanden (se diluyen en la superficie) → aumento
de la tensión superficial (γ).
• el aumento de γ es contrarrestado por el incremento del
radio alveolar → la presión superficial resultante (P) se
mantiene prácticamente constante (Ley de Laplace)
Espiración: • radio alveolar (r) disminuye → las moléculas de
surfactante se concentran en la superficie → disminuye
la tensión superficial (γ)
• la disminución de γ antagoniza la tendencia al colapso
por disminución del radio alveolar (Ley del Laplace)
18
Resumiendo,
la presencia de la sustancia tensioactiva tiene tres efectos:
• disminuye γ en todos los alvéolos (independientemente del
diámetro) y en consecuencia la presión para mantenerlos abiertos.
• permite que alvéolos con diferente diámetro permanezcan
abiertos por la misma presión, ya que los de menor diámetro tienen
también menor γ y los de mayor diámetro poseen mayor γ.
• permite que la presión necesaria para mantener los alvéolos
distendidos en espiración (todos tienen menor diámetro que en
inspiración), sea menor por disminuir en todos la γ al concentrarse
la sustancia tensioactiva.
Intercambio de O2 y CO2 entre
el aire alveolar y la sangre
19
Composición (%V/V) y presiones parciales (mmHg) del aire inspirado,
aire alveolar y aire espirado
Aire inspirado
aire alveolar
aire espirado
O2
20,8
13,2
15,2
N2
78,4
75,4
74,9
CO2
0,04
5,2
3,7
H2 0
0,75
6,2
6,2
O2
158
100
116
N2
596
573
569
CO2
0,3
40
28
H2 0
5,7
47
47
%V/V
pi
El aire inspirado difiere del aire alveolar debido a:
• Humidificación en las vías respiratorias hasta saturación con
vapor de H20 a 37ºC.
• Intercambio rápido de gases respiratorios (cesión o pérdida de
O2 y ganancia de CO2) a nivel alveolar (hematosis).
El aire espirado difiere del aire alveolar debido a la mezcla con el
aire existente en el espacio muerto (fundamentalmente vías respiratorias de conducción) en donde no existe hematosis. Aproximadamente el 30% del volumen corriente constituye el espacio muerto
funcional.
20
Composición (%V/V) y presiones parciales (mm Hg) en sangre venosa
y sangre arterial
Sangre venosa
%V/V
pi
Sangre arterial
O2
5,2
13,2
N2
75,4
75,4
CO2
6,1
5,2
H2 0
6,2
6,2
O2
40
∼100
N2
573
573
CO2
46
40
H2 0
47
47
Hematosis
El intercambio de gases
respiratorios entre alvéolos y
sangre se lleva a cabo por
difusión simple a través de la
superficie de la membrana
alvéolo-capilar, siguiendo el
gradiente de concentración o
presión parcial de cada uno
ellos (Ley de Fick):
m/t = - K. S. (p1- p2)/L
alvéolo
O2
CO2
membrana alvéolo-capilar:
•Epitelio alveolar
•Membranas basales del
epitelio alveolar y capilar
•Endotelio capilar
glóbulo rojo
capilar
21
Transporte de O2 y CO2 en la sangre
Transporte de O2:
La mayor proporción del O2 en
sangre es transportado por la
Hemoglobina (Hb) en los glóbulos
rojos y la menor proporción
disuelta molecularmente en el
plasma según la ley de Henry.
Proporción del transporte total de O2(%) en
Sangre arterial y venosa.
disuelto combinado
Sangre arterial
1,3%
98,7%
Sangre venosa
0,8%
99,2%
A nivel de los tejidos donde la pO2 < 40mmHg y el pH es mas bajo (consecuencia del
metabolismo tisular), el O2 difunde hacia los tejidos por difusión simple y la Hb
cede el O2 no sólo por disminución de la pO2 a ese nivel, sino que además disminuye la
afinidad de la Hb por O2 (corrimiento hacia la derecha de la curva de saturación).
22
Transporte de CO2
El CO2 es transportado en sangre :
• Disuelto molecularmente (∼7%).
• Combinado con las proteínas (Hb y proteínas plasmáticas) como compuestos
carbamínicos (∼23%).
• Como bicarbonato CO3H- (producido por la elevada actividad de la anhidrasa
carbónica erotrocitaria. (∼70%).
a nivel pulmonar
a nivel tisular
En resumen…
Alvéolo
Circulación venosa
Circulación arterial
Respiración aeróbica
Intercambio de gases respiratorios a nivel de membrana alvéolo
capilar y tisular. Se lleva a cabo por difusión simple a favor de
gradiente de concentración (presión parcial).
23