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Cátedra de Fisiología
Lic. En Kinesiología y Fisiatría
Lic. Klga. Patricia Pereyra
Bibliografía: Guyton
DIFUSION
Una vez que los alvéolos están ventilados con aire fresco, el paso siguiente es la
difusión de O2 de los alvéolos pulmonares a la sangre pulmonar y la difusión de CO2
en dirección opuesta.
El proceso de difusión es simplemente un movimiento al azar de moléculas que
entrecruzan sus caminos en ambas direcciones a través de la membrana respiratoria y
los líquidos adyacentes.
Es importante la tasa a la que el aire difunde.
Los gases que intervienen en la fisiología respiratoria son moléculas simples que se
mueven libremente unas entre otras, proceso llamado “difusión”.
Para que se produzca difusión es necesaria una fuente de energía. Esta se obtiene por el
propio movimiento cinético de las moléculas. Excepto a 0º, todas las moléculas están
en movimiento.
Siempre un gas difunde desde un lugar de mayor concentración a otro de menor
concentración.
La presión se origina por el impacto constante de las moléculas en movimiento contra
una superficie.
La presión de un gas que actúa sobre las superficies de las vías respiratorias y de los
alvéolos es proporcional a la suma de las fuerzas de impacto de todas las moléculas de
ese gas que golpean la superficie en un instante determinado.
“La presión es directamente proporcional a la concentración de moléculas de gas”.
En fisiología respiratoria se trabaja con mezcla de gases: O2, CO2, N2. La tasa de
difusión de cada uno de estos gases es directamente proporcional a la presión originada
por ese gas determinado, que se denomina “presión parcial del gas”.
Si la composición del aire es: 79% de N
21% de O2
La presión total de esta mezcla a nivel del mar es de 760 mmHg.
Cada gas contribuye a la presión total en proporción directa a su concentración.
Por lo tanto 79% de los 760 mmHg. Lo origina el N2= 600 mmHg.
21% de los 760 mmHg. Lo origina el O2= 159 mmHg.
La presión parcial del N (PN2) en la mezcla es de 600 mmHg. Y la PO2 es de 160 mm
Hg.
La presión total es de 760 mm Hg.; igual a la suma de cada una de las presiones
parciales. Ley de Dalton.
La presión de un gas en solución no solo está determinada por su concentración, sino
también por el coeficiente de solubilidad del gas. Es decir, algunos tipos de
moléculas, especialmente el CO2 tiene atracción física o química por las moléculas
del agua, mientras que otras son repelidas.
Cuando las moléculas son atraídas, pueden disolverse más sin producir un exceso de
presión en la solución.
A la inversa, las que son repelidas, desarrollan presiones excesivas con mucho menos
moléculas disueltas.
Estas reacciones se expresan mediante la fórmula siguiente que es:
Ley de Henry: Presión = concentración de gas disuelto
Coeficiente de solubilidad
Cuando la presión se expresa en atmósferas (1 atmósfera=760 mm Hg.) y la
concentración se expresa en volumen de gas disuelto en cada volumen de agua, los
coeficientes de solubilidad de los gases importantes para la respiración a la temperatura
corporal son los siguientes:
O2= 0,024
CO= 0,018
CO2= 0,57
N2=0,012
He= 0,008
Puede verse que el CO2 es 20 veces más soluble que el O2 y que el O2 es
moderadamente más soluble que otros gases.
Por lo tanto la PPCO2 es menor de 1/20 de la que ejerce el O2.
La presión de cada gas en la mezcla de gas respiratorio alveolar tiende a forzar a las
moléculas de gas a disolverse, 1º en la membrana alveolar y después en la sangre de
los capilares alveolares.
A la inversa, las moléculas del mismo gas que ya están disueltas en la sangre se están
moviendo al azar en el líquido de la sangre y algunas escapan de nuevo al alvéolo.
La tasa a la que escapan es directamente proporcional a su presión parcial en la sangre.
En que dirección se produce la “difusión neta” del gas: La difusión neta del gas está
determinada por la diferencia entre las dos presiones parciales (PP).
Si la PP es mayor en la fase gaseosa de los alvéolos, como ocurre con el O2, pasarán
moléculas a la sangre.
Si la PP del gas es mayor en el estado disuelto de sangre, como ocurre con el CO2,
entonces la difusión neta se produce hacia la fase gaseosa alveolar.
PRESION DE VAPOR DE AGUA
Cuando el aire no humidificado penetra en las vías respiratorias, se evapora
inmediatamente agua de las superficies de estas vías y la humidifica. Esto es porque
continuamente las moléculas de agua, como las de los distintos gases, se escapan de la
superficie acuosa hacia la gaseosa.
La presión que ejercen las moléculas de agua para escapar a través de la superficie se
denomina “presión de vapor de agua”.
A la temperatura normal, 37º C esta presión de vapor es de 47 mm Hg.
Por lo tanto una vez humidificada la mezcla de gases, la presión parcial del vapor de
agua en la mezcla gaseosa es también de 47 mm Hg, y se abrevia PH2O. Esta presión
de vapor de agua depende completamente de la Tº del cuerpo. A mayor Tº, mayor
actividad cinética de las moléculas. Por lo tanto mayor posibilidad de que las
moléculas escapen de la superficie de agua hacia la fase gaseosa.
Por ejemplo: la PH2O a 0º C es de 5 mm Hg.
La PH2O a 100º C es de 760 mm Hg.
La PH2O a Tº corporal es de 47 mm Hg
Además de la diferencia de presión, hay diversos factores que afectan a la velocidad de
difusión de un gas en un líquido. Estos factores son:
1.- Solubilidad del gas en el líquido
2.- Área transversal del líquido
3.- Distancia a través de la cual debe difundir un gas
4.- Peso molecular del gas
5.- Temperatura del líquido
Como la temperatura de nuestro cuerpo es constante, no siempre es necesario
considerar este punto.
A mayor solubilidad del gas, mayor número de moléculas disponibles para difundir
para cualquier diferencia de presión parcial dada.
A mayor área transversal del trayecto de difusión, mayor será el número total de
moléculas que difunden.
A mayor distancia, mayor tiempo tardarán en difundir las moléculas dicha distancia.
A mayor movimiento cinético de las moléculas, que es inversamente proporcional a la
raíz cuadrada del peso molecular; mayor será la velocidad de difusión del gas.
Se expresa de la siguiente manera con esta fórmula.
D= (P1-P2) x A x S
d x raíz cuadrada del PM
D= velocidad de difusión
(P1-P2) = diferencia de presiones entre dos extremos
A= área transversal del trayecto
d= distancia de difusión
PM= peso molecular del gas
Leyes de difusión:
La solubilidad y el peso molecular determinan el coeficiente de
difusión de un gas.
Ley de Fick: Dice que la tasa de difusión de un gas es directamente proporcional a:
1.- la diferencia de presión del gas a ambos lados de la membrana
(P1-P2)
2.- al coeficiente de difusión de un gas (propio de cada gas) a
3.- Al área de la membrana (A)
E inversamente proporcional a
4.- el grosor de la membrana (G)
Formula:
Difusión= A (P1-P2) ª
G
Cómo obtenemos el coeficiente de difusión de un gas?
Es propio para cada gas y esta dado por la relación de dos propiedades físicas: la solubilidad
y el peso molecular.
Tasa de difusión=
1
Raíz cuadrada del peso molecular
Es la ley de Graham.
La tasa de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso
molecular.
Como la ley de Henry dice que el Nº de moléculas de un gas disuelto en un líquido es
directamente proporcional a la presión parcial de dicho gas en la superficie líquida, se deduce
que el coeficiente de difusión es:
Solubilidad
Raíz cuadrada del peso molecular
El O2 (PM= 32) CO2 (PM=44)
Si consideramos como 1 el coeficiente de difusión del O2, los coeficientes de difusión
relativos de los distintos gases en los líquidos corporales son los siguientes:
O2= 1
CO2= 20.3
CO= 0.81
N2=0.53
He=095
Difusión de gases a través de los tejidos:
Como los gases respiratorios son muy solubles en los lípidos pueden atravesar las membranas
celulares con facilidad. La mayor limitación de moviendo de los gases en los tejidos es la tasa
a la que los gases difunden por el agua tisular, no por las membranas celulares.
Composición del aire alveolar:
El aire alveolar no tiene las mismas concentraciones de gases que el aire atmosférico.
1º el aire alveolar es sustituido parcialmente por el aire atmosférico en cada respiración.
2º continuamente se absorbe O2 del aire alveolar
3º el CO2 difunde constantemente desde la sangre pulmonar a los alvéolos.
4º el aire atmosférico seco se humidifica antes de llegar a los alvéolos.
La renovación lenta del aire alveolar es importante para evitar variaciones repentinas de las
concentraciones de gases en sangre.
Humidificación del aire en las vías respiratorias
El aire atmosférico está compuesto en casi su totalidad por N y O, casi no contiene CO2 y
tiene muy poco vapor de agua.
Pero ni bien entra el aire a las vías respiratorias, está expuesto a los líquidos que recubren las
superficies respiratorias y antes que el aire llegue a los alvéolos se humidifica totalmente.
La Presión Parcial (PP) de H2O a una Tº 37º C es de 47 mm Hg, que es, por lo tanto la PPde
vapor de agua del aire alveolar.
Como la presión total en los alvéolos no puede aumentar por encima de la presión
atmosférica (760 mm Hg a nivel del mar), este vapor de agua simplemente diluye todos los
demás gases que están en el aire inspirado.
También diluye la PPO2 desde 159 mm Hg a 149 mm Hg en el aire humidificado.
Velocidad con que se renueva el aire alveolar por el aire atmosférico
La CRF (2300ml.) es la cantidad de aire que queda en los pulmones después de una
espiración normal. Sin embargo el volumen alveolar es de 350 ml. Por lo que necesito varias
espiraciones para cambiar totalmente el aire alveolar (16).
La concentración de O2 en los alvéolos, así como su PP, están controlados, primero por la
tasa de absorción del O2 a la sangre y segundo por la tasa de entrada del nuevo O2 a los
pulmones.
Difusión de los gases a través de la membrana respiratoria
Unidad respiratoria: compuesta por bronquíolos respiratorios, los conductos alveolares, atrios
y alvéolos. (300 millones).
Membrana respiratoria:
1º capa de líquido que reviste el alvéolo y que contiene agente tensoactivo que disminuye la
tensión superficial del líquido alveolar.
2º epitelio alveolar compuesto por células epiteliales finas.
3º membrana basal epitelial
4º espacio intersticial fino entre el epitelio alveolar y la membrana capilar.
5º la membrana basal capilar que en muchos lugares se fusiona con la membrana basal
epitelial.
6º membrana endotelial capilar.
La superficie total del la membrana respiratoria es de unos 70 m cuadrados en un adulto
normal.
Los factores que determinan la rapidez del paso de un gas a través de la membrana son:
El espesor de la membrana
Área de superficie de la membrana
Coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana.
Diferencia de PP del gas entre dos membranas.
El espesor de la membrana respiratoria aumenta por ejemplo en presencia de líquidos de
edema en los espacios intersticiales de la membrana y el alvéolo, por lo tanto los gases no
solo difunden a través de la membrana sino lo hacen a través de los líquidos.
En fibrosis pulmonares también se pueden aumentar el espesor de las membranas, y como la
tasa de difusión es inversamente proporcional al grosor de la membrana, cualquier factor que
aumente el grosor más de 2 o 3 veces lo normal puede interferir en la hematosis.
También puede reducirse el área debido a otras enfermedades. Por Ej. Extirpación de un
pulmón, enfisema (colapso alveolar), la membrana respiratoria se ve reducida por pérdida de
pared alveolar.
El coeficiente de difusión depende de la solubilidad del gas en la membrana e inversamente
de la raíz cuadrada del peso molecular del gas.
La tasa de difusión de un gas a través de la membrana respiratoria es casi exactamente igual a
la de la difusión en el agua. El CO2 difunde 20 veces más que el O2.
La diferencia de presiones a través de la membrana respiratoria es la diferencia entre la PP
del gas en los alvéolos y la P del gas en la sangre capilar pulmonar.
La PP representa una medida del Nº total de moléculas de un gas determinado que golpea la
superficie alveolar de la membrana por unidad de tiempo, y la presión del gas en la sangre
representa el Nº de moléculas que intentan escapar de la sangre en la dirección opuesta.
La diferencia entre estas dos presiones es la difusión neta.
Cuando la PP de un gas en el alveolo es superior a la PP del gas en la sangre, como la del O2,
hay una difusión neta de los alvéolos hacia la sangre.
Cuando la PP del gas en la sangre es mayor que la PP en los alvéolos, como con el CO2, se
produce una difusión neta desde la sangre a los alvéolos.
Capacidad de difusión:
La capacidad de difusión de la membrana respiratoria: es el volumen de gas que difunde a
través de la membrana por minuto para una diferencia de P de 1 mm Hg.
Capacidad de difusión del O2: En el hombre joven medio, la capacidad de difusión del O2
en condiciones de reposo es de 21 ml/min/Mg...
La diferencia media de P de O2 a través de la membrana durante la respiración tranquila
normal es de ll Mg..., si lo multiplico por la capacidad de difusión: 11x 21, se obtiene un total
de 231 ml. De O2 que difunden a través de la membrana cada minuto.
Esto es igual a la tasa de consumo de O2.
Durante el ejercicio como aumenta la ventilación y aumenta el flujo sanguíneo pulmonar,
también aumenta la capacidad de difusión del O2 hasta 65ml/min/Mg.
Capacidad de difusión del CO2: No se puede medir debido a la rapidez con que difunde de
sangre al alvéolo y la PCO2 capilar no difiere tanto con la PCO2 alveolar. Pero como se sabe
que el coeficiente de difusión del CO2 es 20 veces mayor que el O2, cabe suponer una
capacidad de difusión de unos 400 a 450 ml/min/Mg..
RELACION VENTILACIÓN -PERFUSION
La relación que existe entre la ventilación alveolar y el flujo sanguíneo alveolar se denomina
“relación ventilación-perfusión” y se expresa V/Q
Si la ventilación alveolar es normal y la Q es normal se dice la Va/Q es normal.
Cuando la Va es igual a cero y la Q es normal se dice que la Va/Q es igual a cero.
Cuando la Va es normal y la Q es igual a cero se dice que la Va/Q es infinito.
Cuando la Va/Q es cero o infinito no hay hematosis.
Siempre que la Va/Q sea inferior a lo normal, no existe ventilación suficiente para
suministrar O2 necesario para oxigenar por completo la sangre que fluye a través de los
capilares alveolares. Si esta sangre no se oxigena se la denomina sangre de cortocircuito.
Cuando la ventilación es grande pero el flujo sanguíneo es bajo, hay más O2 disponible en
los alvéolos del que pueda extraer la sangre, por lo tanto se dice que la Va se desperdicia,
también el aire de las vías aéreas del espacio muerto se desperdicia.
La suma de estos dos tipos de ventilación desperdiciada se llama espacio muerto fisiológico.
En posición erecta la Va y la Q son menores en la parte superior del pulmón, pero la
perfusión está más disminuida que la ventilación, por lo tanto en los vértices pulmonares la
Va/Q es 2,5 veces el valor ideal; grado moderado de espacio muerto fisiológico.
En la base del pulmón, es escasa la Va en relación a la Q y la Va/Q es 0,6 veces la ideal. En
esta zona una fracción de sangre no se oxigena normalmente y esta representa un shunt
fisiológico o cortocircuito. Tanto el shunt como el aumento del espacio muerto disminuyen
profundamente la eficacia de los pulmones como órganos de intercambio gaseoso
disminuyendo su eficacia 1/10 de lo normal.