Universidad Privada Antenor Orrego FACULTAD DE MEDICINA HUMANA Fisiología Respiratoria Dr. Edgar Yan Quiroz Médico Cirujano Docente del Curso de Morfofisiología II Trujillo – Perú 2007 Fisiología de la respiración CO2 La respiración consiste en el intercambio de gases (O2, CO2) entre las células y la atmósfera. O2 Intercambio I: De la atmósfera al pulmón Vía aérea Alvéolo de Los pulmones CO2 O2 Intercambio II: Del pulmón a la sangre O2 CO2 Circulación pulmonar Transporte de gases en la sangre Puede dividirse en: • Externa: Intercambio de gases (O2/CO2) a nivel pulmonar • Interna: Respiración celular Circulación sistémica Corazón CO2 CO2 O2 O2 Intercambio III: De la sangre a las células Respiración célular ATP Dr. Edgar Yan Quiroz Células Nutrientes La respiración y sus órganos participan además en otras funciones: • Regulación del equilibrio ácido/base • Regulación de la temperatura corporal • Excreción de compuestos (por ejemplo, cuerpos cetónicos, metano, alcohol, etc) • Actividad hormonal: angiotensina. Dr. Edgar Yan Quiroz Valores en reposo • Frecuencia respiratoria: 12-15 respiraciones minuto • Volumen: 500 cc aire inspirado/espirado en cada ciclo • 6-8 L/min = 250 mL 02 y 200 mL CO2 Dr. Edgar Yan Quiroz Propiedades de los gases • Aire es una mezcla de gases, cada uno difunde independientemente • Composición del aire seco: • Oxígeno 28.98% • CO2 0.04% • N 78.06% • Otros 0.92% • Gases son compresibles y expandibles, flujo cuando resistencia • Gases difunden por diferencia de presiones Dr. Edgar Yan Quiroz Propiedades de los gases • Solubilidad de un gas depende: • Presión parcial del gas: Producto de la presión total x fracción del gas, (0.21 x 760mmHg = 160mmHg) • Temperatura • Solubilidad en un solvente particular • Agua: solvente universal • O2 en agua: 0.1 m moles/L (pobre) • CO2 en agua: 3.0 m moles/L (buena) →30 veces mayor. Dr. Edgar Yan Quiroz Aparato Respiratorio: Anatomía Estructura de los pulmones y cavidad torácica El Aparato Respiratorio Dr. Edgar Yan Quiroz Las vías aéreas: Conducción del aire desde el exterior al alveolo • Filtrar, calentar & humedecer el aire • Nariz, (boca), traquea, bronquios & bronquiolos • Incremento del área de sección transversal Dr. Edgar Yan Quiroz Bronquios y su inervación • Paredes de bronquios y bronquiolos inervados por SNA. • Receptores adrenergicos B2 y receptores muscarínicos • Inervación no colinérgica – no adrenérgica, VIP Fotomicrografía de un bronquiolo (X117). Obsérvese la presencia de músculo liso y la ausencia de cartílago en su pared. Dr. Edgar Yan Quiroz Dinámica De La Ventilación • La finalidad de los movimientos respiratorios es incrementar el flujo aéreo en los pulmones. • El principal músculo inspiratorio es el diafragma, siguiendo los intercostales externos, pectorales y ECM. Los músculos espiratorios son: intercostales internos y rectos abdominales • La espiración normal es resultado de la elasticidad pulmonar Dr. Edgar Yan Quiroz Dinámica De La Ventilación AUMENTO DE LA CAVIDAD TORACICA Intercostales externos Diafragma DISMINUCION DE LA CAVIDAD TORACICA Intercostales internos Dr. Edgar Yan Quiroz Volúmenes y capacidades pulmonares • El espacio en la vías de conducción ocupado por el gas que no participa en el intercambio se denomina: Espacio muerto (aprox. es = al peso corporal en libras) Dr. Edgar Yan Quiroz ESPIROMETRIA: volúmenes de aire que se movilizan en la respiración CRF VR (CPT) CI VRE VRI Dr. Edgar Yan Quiroz (VT) (CV) Dr. Edgar Yan Quiroz Volúmenes y capacidades pulmonares Campana Inspiración Espiración Aire Volumen (L) Agua Tiempo Cuando el sujeto inhala, el aire se moviliza hacia el interior de los pulmones. El volumen de la campana disminuye y el bolígrafo sube en el trazado. Dr. Edgar Yan Quiroz Ventilación pulmonar • Volumen minuto: F x V, “Normal” = 12 x 0,5L = 6 L • Ejercicio = 35-45 x 2L = 70-90L • Diferencia 15 veces. registrados : 200 L /min) (valores máximos • Tiempo inspiratorio (Ti): duración en segundos desde el inicio al final del volumen inspiratorio. • Tiempo espiratorio (Te): duración en segundos desde el final del flujo inspiratorio hasta el inicio del ciclo siguiente. Dr. Edgar Yan Quiroz Relación ventilación - perfusión • La ventilación pulmonar (V) y la cantidad de sangre que recibe el pulmón (perfusión, Q) guardan una correlación, que se rompe en un punto: UMBRAL VENTILATORIO • Reposo: • Q = 5L/min bases > vértices • V= 4,2L/min vértices > bases • V/Q=0,8 Dr. Edgar Yan Quiroz Tensión Superficial Cuando el agua forma una superficie con el aire, las moléculas de la superficie del agua tienen una atracción suplementaria entre sí → La superficie del agua siempre trata de contraerse (ejemplo: gotas de lluvia) Dr. Edgar Yan Quiroz Tensión Superficial: Surfactante pulmonar • Tiende a reducir la tensión superficial, se forma en las células epiteliales tipo II y uno de sus componentes importantes es la dipalmitoil fosfatidilcolina (DPPC). • Baja la tensión superficial en los alvéolos, haciendo que el pulmón sea más distensible. Favorece la estabilidad de los alvéolos. Contribuye a mantener secos los alvéolos. • La pérdida de surfactante ocasionaría pulmones rígidos, áreas de atelectasia y alvéolos ocupados con trasúdado. Dr. Edgar Yan Quiroz Intercambio gaseoso en los pulmones Bronquiolo Arteriola pulmonar Flujo sanguíneo Arteria pulmonar Vena pulmonar Conducto alveolar Alvéolo Flujo sanguíneo Saco alveolar Vénula pulmonar Dr. Edgar Yan Quiroz Red capilar sobre la superficie del alvéolo Intercambio gaseoso en los pulmones Dr. Edgar Yan Quiroz Intercambio gaseoso en los pulmones Surfactante pulmonar O2 Epitelio alveolar Membranas basales fusionadas Espacio alveolar 0.1 – 1.5 um Núcleo de Célula endotelial O2 Plasma Dr. Edgar Yan Quiroz ERITROCITO Lumen capilar Gases: Difusión Ley de Fick: “La celeridad del traslado de un gas a través de una membrana de tejido es directamente proporcional a la superficie del tejido y a la diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados, e inversamente proporcional al espesor de la membrana”. Fig. Difusión a través de una lámina de tejido. A: área superficial, D: constate de difusión T: espesor M.W. : peso molecular. Dr. Edgar Yan Quiroz Intercambio gaseoso en los pulmones y sistémico: O2 Aire seco = 760 mmHg PO2 = 160 mmHg Alvéolo PO2 = 104 mm Hg O2 Sangre arterial Sangre venosa PO2 = 104 mmHg PO2 = 40 mm Hg ARTERIA PULMONAR Transporte CO2 HCO3- = 70% Hb-CO2 = 23% CO2 disuelto = 7% Circulación pulmonar VENA PULMONAR Transporte O2 Hb-O2 = > 98% O2 disuelto = < 2% Circulación sistémica Sangre arterial Sangre venosa PO2 = 40 mm Hg Tejidos Dr. Edgar Yan Quiroz PO2 = 95 mmHg O2 PO2 = 40 mm Hg Intercambio gaseoso en los pulmones y sistémico: CO2 Aire espirado PO2 = 116.0 mmHg PCO2 = 32.0 mmHg Transporte CO2 HCO3- = 70% Hb-CO2 = 23% CO2 disuelto = 7% Alvéolo PCO2 = 40 mm Hg CO2 Sangre arterial Sangre venosa PCO2 = 45 mm Hg ARTERIA PULMONAR Aire seco = 760 mmHg PCO2 = 0.3 mmHg PCO2 = 40 mmHg CO2 Circulación pulmonar Sangre venosa VENA PULMONAR Transporte O2 Hb-O2 = > 98% O2 disuelto = < 2% PCO2 = 45 mm Hg Circulación sistémica Sangre arterial PCO2 = 40 mmHg CO2 Tejidos Dr. Edgar Yan Quiroz PCO2 > 45 mm Hg Intercambio gaseoso en los pulmones y sistémico Aire espirado PO2 = 116.0 mmHg PCO2 = 32.0 mmHg Transporte CO2 HCO3- = 70% Hb-CO2 = 23% CO2 disuelto = 7% Aire seco = 760 mmHg PO2 = 160 mmHg PCO2 = 0.3 mmHg Alvéolo PO2 = 104 mm Hg PCO2 = 40 mm Hg O2 CO 2 Sangre arterial Sangre venosa PO2 = 40 mm Hg PCO2 = 45 mm Hg PO2 = 104 mmHg PCO2 = 40 mmHg Circulación pulmonar VENA PULMONAR ARTERIA PULMONAR Sangre venosa Transporte O2 Hb-O2 = > 98% O2 disuelto = < 2% PO2 = 40 mm Hg PCO2 = 45 mm Hg Circulación sistémica Sangre arterial PO2 = 95 mmHg PCO2 = 40 mmHg CO2 Tejidos Dr. Edgar Yan Quiroz O2 PO2 = 40 mm Hg PCO2 > 45 mm Hg Intercambio gaseoso en los pulmones Dr. Edgar Yan Quiroz Intercambio gaseoso en los pulmones Dr. Edgar Yan Quiroz Transporte de gases en la sangre Sangre arterial disuelto en plasma ERITROCITO Alveólo Transporte a las células Célula disuelto en plasma Dr. Edgar Yan Quiroz Usada en la respiración celular Transporte de gases en la sangre Sangre venosa CO2 disuelto (7%) Respiración celular en tejidos periféricos HCO3en plasma (70%) AC ERITROCITO Transporte a los pulmones CO2 disuelto CO2 disuelto HCO3en plasma CO2 AC Alveolo Dr. Edgar Yan Quiroz Factores que modifican el transporte de O2 por la Hb Dr. Edgar Yan Quiroz Transporte de Oxígeno: Resumen • ¿Cuáles pueden modificarse? CONTENIDO TOTAL DE O2 ARTERIAL Oxígeno disuelto en plasma (PO2 en plasma) Oxígeno ligado a la Hb Ayuda a determinar esta influenciado por Composición del aire inspirado Ventilación alveolar Difusión de oxígeno entre el alvéolo y la sangre Adecuada perfusión del alvéolo % de Saturación de Hb Número total de sitios ligados afectado por Frecuencia y profundidad de la respiración Resistencia a la vía aérea Compliance pulmonar Área de superficie Espesor de la membrana Dr. Edgar Yan Quiroz Distancia de difusión Cantidad de Líquido intersticial Temperatura Contenido de Hb por eritrocito Número de eritrocitos Patologías pulmonares que afectan el intercambio gaseoso Pulmón normal PO2 normal PO2 normal Enfisema: Destrucción de alvéolos disminuye el área para el intercambio gaseoso PO2 normal o bajo PO2 bajo Enfermedad pulmonar fibrótica: Membrana alveolar gruesa retarda el Intercambio gaseoso. La pérdida de compliance pulmonar podría disminuir la ventilación alveolar PO2 normal o bajo PO2 bajo Edema pulmonar: Fluído en el espacio intersticial incrementa la distancia de Difusión. PCO2 arterial podría ser normal debido a la alta solubilidad del CO2 Superficie de intercambio normal PO2 bajo Incremento de la distancia de difusión PO2 normal Asma: Incremento de la resistencia de la vía aérea por lo que decrece la ventilación de la vía aérea Bronquiolos constreñidos PO2 bajo PO2 bajo Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración • Respiración espontánea se produce por descargas rítmicas de las neuronas motoras que inervan los músculos respiratorios • Reguladas por modificaciones de PO2, PCO2 y [H+] • Control Nervioso • Control Químico Dr. Edgar Yan Quiroz Elementos esenciales del sistema de control respiratorio Controlador central Protuberancia, bulbo, otras partes del encéfalo Entrada Sensores Quimiorreceptores, receptores pulmonares y otros receptores Dr. Edgar Yan Quiroz Salida Efectores Músculos respiratorios Regulación de la respiración: Control central TRONCO ENCEFÁLICO Periodicidad de la inspiración y la espiración es regida por neuronas que se encuentran en la protuberancia y el bulbo. a) Centro respiratorio bulbar Que se halla en la formación reticular del bulbo raquídeo, por debajo del piso de IV ventrículo. •Grupo respiratorio dorsal: responsables del ritmo básico de la ventilación. •Grupo respiratorio ventral: inactiva durante la respiración tranquila. Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Control central TRONCO ENCEFÁLICO b) Centro apnéustico • Protuberancia inferior. c) Centro neumotáxico • Protuberancia superior. • Parece “cortar” o inhibir la inspiración, regulando así el volumen inspiratorio y, en forma secundaria, la frecuencia respiratoria. Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Control central CORTEZA • La respiración se encuentra bajo control voluntario en una medida considerable y la corteza puede pasar por alto la función del tronco encefálico. OTRAS PARTES DEL ENCEFALO • Sístema límbico y el hipotálamo. Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Sensores QUIMIORRECEPTORES PERIFÉRICOS • Quimiorreceptor es un órgano receptor que responde a algún cambio que experimente la composición química de la sangre o de otro líquido que lo rodea. • Se hallan localizados en los cuerpos carotídeos, situados en las bifurcaciones de ambas arterias carótidas primitivas, y en los cuerpos aórticos, por encima y por debajo del cayado de la aorta. Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Sensores QUIMIORRECEPTORES PERIFÉRICOS • Responden a las reducciones de la PCO2 y el pH arteriales, y a los aumentos de la PCO2 arterial • Son responsables de todo aumento de la ventilación que ocurre en el ser humano como respuesta a la hipoxemia arterial. Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración • Grupo respiratorio dorsal – Inspiración • Grupo respiratorio ventral – Respiración forzada Dr. Edgar Yan Quiroz Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Quimioreceptor periférico Dr. Edgar Yan Quiroz Regulación de la respiración: Quimioreceptor periférico Vaso sanguíneo • Cuerpos carotideos & aorticos: receptores; O2, CO2 & H+ K+ K+ K+ PO2 • Receptor CO2 medular Canales de K+ K+ Célula tipo I (Glomosa) Canales de Ca+ voltaje dependientes de tipo L Vesículas dopaminérgicas Ca+ Ca+ Dr. Edgar Yan Quiroz Ca+ Receptor de dopanima en el axon aferente de la neurona sensorial (IX Par) Regulación de la respiración: Quimioreceptor periférico Vaso sanguíneo 1 Canales de K+ 2 PO2 3 Célula se despolariza 5 Vesículas dopaminérgicas 6 7 Dr. Edgar Yan Quiroz Potencial de acción Canales de Ca+ voltaje dependientes de tipo L Ca+ Ca+ 4 Ca+ Ca+ Receptor de dopamina en el axon aferente de la neurona sensorial (IX Par) Regulación de la respiración: Sensores QUIMIORRECEPTORES CENTRALES • Los receptores más importantes se encuentran situados en la proximidad de la superficie ventral del bulbo, cerca de la salida de los pares craneales IX y X. • Responden a los cambios de la concentración de H líquido extracelular del encéfalo. Dr. Edgar Yan Quiroz + en el ↑ CO2 Vía aérea O2 Intercambio I: De la atmósfera al pulmón Vía aérea Alvéolo de Los pulmones Alvéolo de Los pulmones ↑ CO2 CO2 O2 ↑ CO2 Circulación pulmonar Intercambio II: Del pulmón a la sangre O2 CO2 Circulación pulmonar Transporte de gases en la sangre Circulación sistémica Circulación sistémica Corazón ↑ CO2 Corazón ↑ CO2 CO2 CO2 CO2 Respiración célular ATP Dr. Edgar Yan Quiroz Células O2 O2 Intercambio III: De la sangre a las células Respiración célular ATP Células Nutrientes Regulación de la respiración: Quimioreceptor central BULBO RAQUÍDEO Grupo respiratorio dorsal PCO2 Área Quimiorreceptora sensible AC Líquido Cefalorraquídeo Neuronas motoras somáticas Diafragma Intercostales Externos Ventilación Dr. Edgar Yan Quiroz Esternocleidomastoideo Escalenos Capilar Barrera cerebral hematoencefálica Regulación de la respiración: Centro pontino Dr. Edgar Yan Quiroz Resúmen de la Regulación respiratoria ↑ PCO2 Arterial ↑ PCO2 en LCR ↑ CO2 en LCR Quimiorreceptor central + ↑ HCO ↑ H+ 3 ↑ CO2 ↑ H+ en plasma + ↑ HCO 3 - Quimiorreceptor periférico Estímulo Receptor Respuesta sistémica ↑ Plasma PO2 ↑ Plasma PCO2 Dr. Edgar Yan Quiroz Retroalimentación negativa Regulación de la respiración: Control nervioso y químico Dr. Edgar Yan Quiroz Corteza cerebral Emociones y Control voluntario Sistema límbico Grupo Respiratorio Dorsal Grupo Respiratorio Ventral Centros cerebrales superiores CO2 O2 y pH Quimiorreceptores medulares Quimiorreceptores aórticos y carotídeos Sistema límbico Neuronas sensoriales aferentes Centro Patrón Generador Bulbo raquídeo Puente Neuronas motoras somáticas (Inspiración) Diafragma Escalenos y Esternocleiodmastoideos Inspiración Grupo Respiratorio Dorsal Espiración Intercostales Diafragma externos Grupo Respiratorio Ventral Neuronas motoras somáticas (Espiración) Intercostales Músculos abdominales internos …No todo lo que puede ser contado cuenta, y no todo lo que cuenta puede ser contado Albert Einstein Muchas Gracias Dr. Edgar Yan Quiroz
