Difusion Transporte de gases en sangre

DIFUSIÓN - TRANSPORTE DE
GASES EN SANGRE
Material de uso interno
2010
Hoy hablaremos de:
* Leyes de los gases: aspectos aplicados
* Hematosis ó intercambio alvéolo-capilar
* Transporte de gases en sangre
LEY DE BOYLE - MARIOTTE ( T = cte )
V · P = cte
P1 · V1 = P2 · V2
O sea, a temperatura constante, P y V varían inversamente
Ejemplo fisiológico:
VENTILACIÓN PULMONAR
LEY DE CHARLES - GAY- LUSSAC (P = cte )
V = cte . T
IMPORTANTE:
La temperatura se mide
siempre en escala Kelvin,
que tiene un cero absoluto
T = tº + 273
0ºC = 273 ºK
37ºC = 310 ºK
APLICACIONES FISIOLOGICAS:
V1
V2
---- = ---- = cte
T1
T2
* Al inspirar, el aire frío se calienta a 37ºC y su expansión
contribuye al llenado pulmonar. Por ej.:
500cc
V2
=
273º K 310º K
* Menor contenido de O2 en aguas cálidas
V 2 = 568cc
Si al calentar un gas se impide que varíe su volumen, la
presión aumente 1/273 de P0 por cada ºC de aumento de
temperatura (coeficiente de Presión).
Se pone en evidencia la interdependencia entre P y V, ya
que ambos coeficientes son iguales
A Presión constante:
Vt = V0 (1 + α.t) , donde α = 1/273 de V0
A Volumen constante:
Pt = P0 (1 + α.t) , donde α = 1/273 de P0
APLICACIÓN: DESCOMPOSICIÓN CORPORAL
ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES
P.V = n.R.T
P en atm
V en l
n = Nº de moles
R = 0.082 l atm/ºK mol
T en ºK
EJERCICIO:
Cierto animal de experimentación respiró normalmente del
espirómetro durante un minuto, obteniéndose un Vcorr = 0.4 l
y la frecuencia respiratoria fue de 16 ciclos/min. La
temperatura del laboratorio fue de 25ºC y la presión fue de 760
mm Hg. ¿Cual fue el consumo de O2 por minuto?
0.4 x 16 = 6.4 l de aire/min
6.4 x 0.2(20% del aire es O2) = 1.28 l de O2/min
PV = nRT
P.V
1 atm x 1.28 l O2
n = ----- = -------------------------------------- = 0.052 moles O2
R.T
0.082 l atm/ºK. mol x 298ºK
El resultado debe ser dividido por el peso del animal para filtrar el
efecto del tamaño
PRINCIPIO DE AVOGADRO
Volúmenes iguales de gases diferentes, en las mismas
condiciones de T y P, contienen el mismo número de moléculas
Así, 1 l de cualquier gas a 273 ºK y 1 atm contendrá
6.023 x 1023 moléculas (número de Avogadro)
V molar = 22.414 l a TPN (273ºK, 1 atm)
LEY DE DALTON o DE LAS PRESIONES PARCIALES
En una mexcla de gases, la PT = ΣPP, o bien: “cada gas se comporta
como si estuviera solo”
Pt = P1 + P2 + ... + PN
RT
RT
RT
Pt = n1
+ n2
+ ... + nN
V
V
V
RT
Pt = (n1 + n2 + ... + nN )
V
RT
Pt = nt
V
COROLARIO:
La fracción de la presión ejercida por uno de los gases es igual a
la fracción molar de dicho gas
• nA
pA
—— = —— ⇒
nT
pT
PA = FA . PT
nA
pA = —— · pT = FA · pT
nT
ΣFi = 1
Estas fórmulas son válidas solo para gases SECOS
ESTO TIENE IMPORTANTES APLICACIONES EN FISIOLOGÍA RESPIRATORIA
COMPOSICIÓN DEL AIRE ATMOSFÉRICO
Nitrógeno
78.08 %
Oxígeno
20.95 %
Argón
0.93 %
Anhídrido Carbónico
0.03 %
Neón
0.018 %
Helio
0.005 %
Criptón
0.001 %
Hidrógeno
0.00006 %
Ozono
0.00004 %
Xenón
0.000008 %
¿Cuanto vale la presión parcial del O2 atmosférico seco?
Del cuadro anterior, tenemos O2 = 20.95%
pO2 = 0.2095 x 760 mmHg = 159.22 mm Hg
En la práctica, el aire atmosférico siempre tiene humedad, y
además, éste se satura de vapor de agua al ingresar a las vías
respiratorias durante la inspiración.
La humedad es líquido disuelto en una mezcla gaseosa, y no
puede considerarse un gas más dentro de la mezcla.
Las partículas de agua disuelta ejercen una presión llamada Tensión
de Vapor de Agua (TH2O).
La tensión máxima de vapor de agua (atmósfera saturada de
humedad) sólo depende de la temperatura, y para 37ºC vale 47
mm Hg.
Para calcular la presión de un gas en aire húmedo, debemos
descontar la TH2O a la presión total:
Pa = (PT - TH2O) . Fa
EJERCICIO: En el aire alveolar, el O2 representa el 14.5%.
¿Cuanto vale la pO2?
pO2 = (760 - 47) x 0.145 = 103.385 mm Hg ≅ 100 mm Hg
LEY DE HENRY
El volumen de un gas libre disuelto en un líquido es
directamente proporcional a la presión parcial de dicho gas
Vx (ml%) = Kx . Px
Kx (constante de solubilidad del gas x) es el volumen de gas que
se disuelve en UN cm3 de líquido a STPD.
En el plasma sanguíneo y a 37ºC y 760 mm Hg, tenemos:
KO2 = 0.023 cm3 de O2 / cm3 de plasma
KCO2 = 0.546 cm3 de CO2 / cm3 de plasma
KN2 = 0.013 cm3 de N2 / cm3 de plasma
Por lo tanto, en la sangre arterial:
100
VO2 disuelto = 0.023 cm3 O2 / cm3 plasma x ------ x 100 ≅ 0.3 ml %
760
EJEMPLO FISIOLÓGICO: NARCOSIS DE PROFUNDIDAD
En el caso del O2, la sangre arterial lleva en realidad 20 ml %, y no 0.3 ml%
Lo que ocurre es que de los 20 ml % de O2, 0.3 ml% viajan como
gas disuelto. El restante 19.7 ml% corresponde a OXÍGENO
COMBINADO con la HEMOGLOBINA, otra especie química.
O sea, la enorme mayoría de O2 viaja en sangre combinada con
la Hb y no como gas libre.
Sin embargo, la disolución física es esencial ante de
combinarse. Ningún intercambio es posible sin una etapa de
disolución del O2.
¿Como es la relación de solubilidades entre el CO2 y el O2?
KCO2
-------KO2
0.542
= -------- = 23.6
0.023
El CO2 es 23.6 veces mas soluble en la sangre que el O2.
100
Sat
O2 combinado
con Hb
80
(%)
Hb
22
O2 total
18 de
14
60
C
O2
ml/
100
10
ml
40
6
20
O2 disuelto
0
0
20
40
60
Po2 mmHg
80
2
100 600
LEY DE GRAHAM
Para un determinado gradiente, la velocidad de difusión de cada
gas varía en forma inversamente proporcional a la raíz cuadrada
del peso Molecular
V difusión
1
α ---------PM
Esta ley se deduce fácilmente, recordando que los diferentes
gases de una mezcla tienen la misma T, y por lo tanto sus
moléculas tendrán la misma energía cinética
¿ Como será la relación de velocidades de difusión entre el CO2 y el O2?
V CO2
--------V O2
32
= ------ =
44
5.657
-------- = 0.85
6.633
Tenemos entonces que el O2, en virtud de su menor tamaño
molecular, difunde 1/0.85 = 1.17 veces más rápido que el CO2
Por otro lado, según la Ley de Henry, el CO2 es 23.6 veces más
soluble en sangre que el O2, lo cual permite importante difusión
para pequeños gradientes.
La Difusibilidad de un gas será proporcional a su solubilidad e
inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso
molecular
solubilidad
D α ---------------PM
D CO2/O2 = 23.6
x
0.85
Por la K de Solubilidad
Por su PM
≅
20
El CO2 difunde
20 veces más
rápido que el O2
Gradiente de presión de O2 del ambiente hasta
los tejidos.
INSP
ALV
ART
CAP
VEN-M
PO2
(mm Hg)
140
100
60
40 mmHg
20
INTERCAMBIO ALVEOLO-CAPILAR (HEMATOSIS)
BARRERA HEMATOAEREA
Aire alveolar
Surfactante
Epitelio alveolar
Membrana basal del epitelio
(tejido conjuntivo)
Membrana basal del endotelio
Endotelio capilar
Sangre
DIFUSIóN
⇒Ley de Fick:
Vg =. Dg x A (Palv - Pcp)
d
DL
donde: A = área de superficie total
Dg = coef. de difusión del gas
d = distancia recorrida
DL = 25 ml/min/mm Hg
β
α
Grupo HEM
Fe++
β
α
Afinidad de la Hemoglobina por
el Oxígeno
• Oxihemoglobina HbO2
• Los cambios en pH, PCO2, y temperatura
sanguínea modifican la afinidad de la
Hemoglobina con el oxígeno.
Efecto Bohr
• El incremento de ácidos o CO2 disminuye el
pH del plasma y mueve la curva de
disociación de la Hb hacia la derecha.
• un aumento de CO2 promueve una mayor
entrega de O2 a los tejidos a igual PO2.
Efecto Haldane
La Desoxigenación de la sangre aumenta su
capacidad para llevar el CO2.
Inversamente, la sangre oxigenada tiene una
reducida capacidad de ligar CO2.
2,3 difosfoglicerato
(2,3-DPG)
• Es producido por los eritrocitos como un producto
intermediario de la glucólisis
• Cuando la concentración de Oxihemoglobina es
baja, se produce síntesis de 2,3-DPG
• El 2,3-DPG disminuye la afinidad de la
Oxihemoglobina para con el O2, aumentando la
entrega de O2 a los tejidos
Factores que modifican la afinidad
de la Hb oxigenada
•
•
•
•
La concentración de iones hidrógeno, [H+]
La presión parcial de gas carbónico, PCO2
La Temperatura
[2,3-DPG]
Caso especial: CO
Efectores de la Curva de
Disociación de la Hb O2
• La curva se desplaza a la derecha cuando:
↑ T°, ↑ PCO2, ↑ [H+] y ↑ 2-3-DPG
• La Hb disminuye su afinidad por el O2 y lo
libera.
• Ocurre en los tejidos.
• En los pulmones ocurre lo contrario.
Efectores de la Curva de
Disociación de la Hb O2
• ↑ PCO2, ↑ [H+] y ↑ 2-3-DPG
• Se unen a la desoxiHb y estabilizan la
estructura T, disminuyendo la afinidad.
• Todos los efectores se unen en diferentes
lugares de las cadenas α y β, pero pueden
competir por un mismo sitio.
• ↑ T°, debilita la unión entre la Hb y el O2.
Anhidrido carbónico
• La remoción de CO2 es fundamental: una
elevada PCO2 causa acidosis
• Un aumento anormal de la PCO2 deprime el
Sistema Nervioso Central con confusión,
coma o muerte
¿COMO VIAJA EN SANGRE EL CO2?
70 % - Como Bicarbonato (HCO3-)
23 % - Unido a la Hb (compuestos carbámicos)
7 % - Como gas libre disuelto
La Anhidrasa Carbónica, una enzima de los eritrocitos,
cataliza la conversión de CO2 y H2O en HCO3-
AC
CO2 + H2O
HCO3- + H+
Remoción del
HCO3
• Antiport: Intercambio de un HCO3- por un
Cl • Transferencia del HCO3- al plasma
• Aumento de la concentración intracelular
del Cloruro
Remoción del
+
H
• Hb actúa como buffer y liga H+
• Hb-H
• Previene cambios importantes del pH
corporal
Carbaminohemoglobina
• CO2 + Hb ↔ Hb-CO2
Remoción del CO2 en los pulmones
• En los pulmones se revierte el proceso
ocurrido en los capilares sistémicos. La
PCO2 alveolar es inferior a la venosa. El CO2
difunde del plasma al alvéolo y la PCO2
sanguínea cae.
• El descenso de la PCO2 plasmática permite la
difusión de CO2 del aritrocito al plasma.
FIN