UBBJ Zinacatepec Tema 2. Sistema respiratorio. Título: Ventilación alveolar, intercambio y transporte de gases Regulación de la respiración. Motivación Escolar de 10 años de edad, con antecedentes de asma bronquial desde el primer año de vida, que es traído a cuerpo de guardia con tos seca, falta de aire, al examen físico se constata: frecuencia respiratoria: aumentada. A la auscultación del sistema respiratorio se detectan estertores roncos y sibilantes diseminados en ambos campos pulmonares. Se le indica como estudio funcional respiratorio una espirometría ¿ Como se encontrará la función ventilatoria en este paciente ? Objetivos 1-Describir los mecanismos y fases que caracterizan la ventilación pulmonar sobre la base de las características morfofuncionales de los pulmones y el tórax, así como el proceso de intercambio de gases a través de la membrana respiratoria y el transporte de gases por la sangre, utilizando para ello la bibliografía básica y complementaria, en función de su formación y competencia como médico general. 2-Describir los mecanismos nerviosos y humorales que participan en la regulación de la ventilación y las particularidades de la respiración durante el ejercicio físico, utilizando para ello la bibliografía básica y complementaria, en función de su formación y competencia como médico general. Sumario: 1- Mecánica de la ventilación pulmonar. 2- Intercambio de oxígeno y bióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre. 3-Transporte de oxígeno y bióxido de carbono por la sangre. 4- Regulación de la respiración. Etapas de la Respiración 1-Ventilación pulmonar. 2-Difusión de O2 y Co2. 3-Transporte de gases por la sangre. 4- Respiración celular. 5- Regulación de la Respiración. Ventilación pulmonar Conjunto de mecanismos mediante los cuales se produce la inspiración ( entrada de aire a los pulmones) y la espiración ( salida de aire de los pulmones). Factores que intervienen en la mecánica ventilatoria 1. Músculos respiratorios: se dividen en inspiratorios y espiratorios. 2. Elasticidad del tórax y los pulmones. 3. Presiones intraalveolares, intrapleurales y transpulmonares. 4. Tensión superficial y el surfactante pulmonar. Músculos Inspiratorios 1) Diafragma: Se inserta alrededor de la caja torácica, cuando se contrae, se mueve hacia abajo, tirando de las porciones inferiores de los pulmones.(La Aminofilina aumenta la contracción del diafragma humano). 2) Esternocleidomastoideo: Tira del esternón hacia arriba. 3) Intercostales externos: elevan muchas costillas(elevan la parrilla costal). 4) Los Escalenos: levantan las dos primeras costillas. Músculos Espiratorios Rectos abdominales . intercostales internos. Proceso activo. Inspiración tranquila Intercostales externos contraidos Diafragma Aumentan los diámetros Durante la inspiración, la contracción del diafragma tira de las superficies inferiores de los pulmones hacia abajo. Aumenta el diámetro vertical Proceso pasivo. Espiración tranquila Intercostales externos relajados Diafragma Disminuyen los diámetros Durante la espiración, el diafragma se relaja, y es el retroceso elástico de los pulmones, de la pared torácica y de las estructuras abdominales el que comprime los pulmones. Los pulmones pueden expandirse y retraerse de dos maneras: 1) Por el movimiento hacia abajo y arriba del diafragma que alarga y acorta la cavidad torácica. 2) Por elevación y descenso de las costillas que aumenta y disminuye el diámetro anteroposterior de la cavidad torácica. 3) La respiración normal tranquila se logra casi totalmente por el movimiento del diafragma. Durante la respiración enérgica la fuerza elástica no tiene la potencia suficiente para provocar la espiración rápida necesaria, de forma que la fuerza adicional necesaria se logra principalmente mediante la contracción de los músculos abdominales, que empuja el contenido abdominal hacia arriba contra la superficie inferior del diafragma. Inspiración y Espiración profundas Escalenos Esternocleido mastoideos Intercostales Externos Intercostales Internos Músculos Diafragma abdominales Elasticidad del tórax y los pulmones 1)Las articulaciones de la caja torácica permiten flexibilidad al esqueleto torácico. 2)Abundantes fibras elásticas le confieren al tejido pulmonar gran elasticidad. Relación entre presión y volumen Para poder comprender cómo ocurre la ventilación, es necesario recordar la relación entre presión y volumen que establece la ley de Boyle- Mariotte la cuál expresa que la presión ejercida por un gas en un recipiente es inversamente proporcional al volumen de este. > Volumen < Presión < volumen > presión ¿Por qué entra y sale el aire de los pulmones? 1. REPOSO Palveolar igual que Patmosférica 2. NSPIRACION Palveolar menor que Patmosférica 3. ESPIRACION Palveolar mayor que Patmosférica Presiones Respiratorias Cuando el aire entra o sale de los pulmones se modifican las presiones alveolares respecto a la presión atmosférica: Cambios de Presión Intra-Alveolar -1mm Hg Hg -1mm inspiración Para originar un flujo de aire hacia dentro en la inspiración, la presión en los alvéolos debe caer a un valor discretamente inferior al de la presión atmosférica. En la inspiración normal la presión alveolar disminuye aproximadamente a - 1 mmHg. Esta presión ligeramente negativa basta para mover 0.5 litros de aire al interior de los pulmones en los 2 segundos que dura la inspiración. Presiones Respiratorias Cambios de Presión Intra-Alveolar + 1 mmHg espiración Durante la espiración ocurre lo contrario: la presión alveolar se eleva hasta + 1 mm Hg. aproximadamente y esto hace salir el 0.5 litros de aire inspirado fuera de los pulmones durante los 2 ó 3 segundos de la espiración. Presión Negativa Intrapleural: - 4 mm de Hg Cambios de Presión Intrapleural Cambios de Presión Intrapleural -- 77 mmHg mmHg mmHg -- 44 mmHg inspiración espiración Presión transpulmonar Es la diferencia que existe entre la presión intrapleural y la presión intraalveolar. Representa una medida de las fuerzas elásticas del tejido pulmonar que tienden a causar su colapso. El agente tensoactivo y sus efectos sobre la tensión superficial El agente tensoactivo es un agente activo en la superficie, lo que significa que, cuando se extiende sobre la superficie de un líquido, reduce la tensión superficial. Se segrega por unas células epiteliales especiales secretoras de agente tensoactivo que constituyen aproximadamente el 10 % de la superficie alveolar. Estas células son granulares y se denominan células epiteliales alveolares de tipo II. ¿Cúal es la consecuencia del déficit de sustancia tensoactiva? Mecánica de la inspiración 1. Contracción de los músculos inspiratorios. 2. Aumento de los diámetros (volumen) del tórax. 3. Expansión pulmonar. 4. Ppl más negativa (disminuye). 5. Disminuye Palv. 6. Entrada de aire Mecánica de la espiración 1. Relajación de los músculos inspiratorios. 2. Disminución de los diámetros (volumen) del tórax. 3. Retracción pulmonar. 4. Aumenta Ppl (regresa a su valor inicial de – 4 mmHg). 5. Aumenta Palv. 6. Salida del aire Factores que determinan la tendencia al colapso de los pulmones Tendencia al al colapso colapso Tendencia de los los pulmones pulmones de Fuerzas elásticas elásticas Fuerzas del tejido tejido del Tensión Tensión superficial superficial Fibras elásticas y colágenas Líquido intraalveolar Fuerzas que evitan el Colapso Pulmonar 1- Presión Negativa Intrapleural: - 4 mm de Hg. 2- Sustancia tensoactiva o surfactante. Trabajo Respiratorio: 1. Trabajo respiratorio (TR) de distensibilidad o elástico: Vence las fuerzas elásticas de los pulmones y el tórax. 2. TR de resistencia tisular: Vence la viscosidad de los pulmones y estructuras de la cavidad torácica. 3. TR de resistencia de las vías aéreas: Vence la resistencia al paso del aire. ¿Qué variaciones debe tener la fuerza desarrollada por los músculos respiratorios del paciente asmático para respirar con las vías aéreas obstruidas? Mayor fuerza tanto de los músculos inspiratorios como de los espiratorios debido al aumento del Trabajo de resistencia de las vías aéreas. La función ventilatoria puede ser evaluada objetivamente mediante las pruebas funcionales respiratorias con equipos de espirometría. (pruebas estáticas y dinámicas). Volúmenes y Capacidades Pulmonares Una forma de evaluar el funcionamiento del sistema respiratorio se logra a través de las pruebas funcionales respiratorias que nos posibilitan determinar los volúmenes y capacidades pulmonares mediante un método simple que nos permite estudiar la ventilación pulmonar a través del registro del movimiento del volumen de aire que entra y sale de los pulmones, un proceso denominado espirometría. (ml) V O L U M E N P U L M O N A R 3500 2000 VIR CI 1000 CV CPT 500 VC 0 VER CRF 1100 VR 1200 Tiempo ( seg.) Volúmenes Pulmonares Volumen Corriente (VC): Es el volumen de aire inspirado o espirado en cada respiración normal; es en promedio de unos 500 mililitros. Volumen de Reserva Inspiratorio (VIR): Es el volumen adicional de aire que se puede inspirar por encima del volumen corriente normal; habitualmente es igual a unos 3000 mililitros. Volumen de Reserva Espiratorio (VER): Es el volumen adicional de aire que se puede espirar por espiración forzada después de una espiración normal; normalmente es de unos 1100 mililitros. Volumen Residual (VR): Es el volumen de aire que queda en los pulmones tras la espiración forzada, es en promedio unos 1200 mililitros. (ml) V 3500 O L U 2000 M E 1000 N VIR CI CV CPT 500 P U 0 L M O 1100 N A 1200 R VC VER CRF VR Tiempo ( seg.) Capacidades Pulmonares Cuando se combinan varios volúmenes pulmonares obtenemos las capacidades pulmonares. Capacidad Inspiratoria (CI): Es igual al volumen corriente más el volumen de reserva inspiratorio. Es la cantidad de aire (unos 3500 mililitros) que una persona puede respirar comenzando en el nivel de una espiración normal y distendiendo al máximo sus pulmones. CI = VC + VIR Capacidad Residual Funcional (CRF): Es igual al volumen de reserva espiratorio más el volumen residual. Es la cantidad de aire que queda en los pulmones después de una espiración normal. Es de unos 2300 mililitros. CRF = VER + VR 3) Capacidad Vital (CV): Es igual al volumen de reserva inspiratorio, más el volumen corriente, más el volumen de reserva espiratoria. Es la máxima cantidad de aire que puede expulsar una persona de los pulmones después de una inspiración máxima y espirando al máximo. Es de unos 4600 mililitros. CV = VIR + VC + VER CV = CI + VER 4) Capacidad Pulmonar Total (CPT): Es el máximo volumen al que pueden expandirse los pulmones con el máximo esfuerzo inspiratorio posible. Es de unos 5 800 mililitros. Es igual a la suma de la capacidad vital y del volumen residual. VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES (ml) V O L U M E N 6000 5000 4000 VEF1 3000 P U L M O N A R CVF 2000 1000 Tiempo 1 seg. Espirometría considerando el tiempo una variable . (Pruebas dinámicas). Una persona normal debe expulsar el 80% al 85% como mínimo de su capacidad vital forzada en el primer segundo de la espiración. (VEF1). Espirograma normal Índice de Tiffeneau VEF1/CVF Espirograma normal Trastornos de la ventilación Obstructivos. Restrictivos. Mixtos. Trastornos de la ventilación Obstructivos Aumento de la resistencia de las vías aéreas. Ej. Asma bronquial, bronquitis, neumonía. VEF1 CVF normal Trastornos de la ventilación Restrictivos Disminución de la expansibilidad tóracopulmonar. Ej. Fibrosis pulmonar . CVF VEF1 Normal Trastornos de la ventilación Mixtos Componente obstructivo y restrictivo. Ej.: Enfisema pulmonar. CVF VEF1 Neumonía ¿Explique cómo se encuentra el intercambio y el transporte de gases en este paciente? Intercambio de gases • Tiene lugar por difusión de los gases. • Se produce por las diferencias de presión parcial entre el alvéolo y la sangre, para cada uno de los gases. Difusión a través de la membrana Por difusión, las sustancias pasan desde el lado de la membrana donde tienen mayor concentración hasta el que tienen menor concentración. Si la concentración de la sustancia es mayor en el exterior… Si la concentración de la sustancia es mayor en el interior… Interior Interior Exterior Exterior Menor concentraci ón Mayor concentración Membrana celular Mayor concentración Menor concentraci ón Membrana celular Difusión de O2 durante el intercambio gaseoso El oxígeno (O2) se transporta por difusión desde los alvéolos a la sangre. Tras la inspiración, la concentración de O2 en los alvéolos es mayor que en los capilares. Por eso, el O2 sale por difusión de los alvéolos a la sangre. O 2 Interior del alvéolo Sangre Mayor concentración de O2 Menor concentración de O2 Membrana del alvéolo Difusión de CO2 durante el intercambio gaseoso El dióxido de carbono (CO2) se transporta por difusión desde la sangre hasta el interior de los alvéolos. La sangre que llega a los pulmones tiene una concentración de CO2 mayor que la que hay en el interior de los alvéolos. Por eso, el CO2 difunde al interior. CO2 Interior del alvéolo Sangre Menor concentración de CO2 Membrana del alvéolo Mayor concentración de CO2 Intercambio de oxígeno y de dióxido de carbono Para comprender el intercambio de oxígeno y de dióxido de carbono entre la sangre y los alvéolos, es útil saber algunas leyes del gas. Según la ley de Dalton, cada gas en una mezcla de gases ejerce su propia presión como si todos los otros gases no estuvieron presentes. Causas de diferente composición del aire alveolar y su relación con el aire atmosférico. El aire alveolar no tiene las mismas concentraciones de gases que el aire atmosférico debido a las siguientes razones: -El aire alveolar sólo es sustituido parcialmente por aire atmosférico en cada respiración. -Se está absorbiendo continuamente oxígeno del aire alveolar. -El dióxido de carbono está difundiendo constantemente desde la sangre pulmonar a los alvéolos. -El aire atmosférico seco que penetra en las vías respiratorias es humidificado antes de que alcance los alvéolos. Capacidad de difusión de la membrana respiratoria. Volumen de un gas que difunde a través de la membrana por minuto para una diferencia de presión de 1 mmHg. O2 = 21 mL / min / mm Hg CO2 = 400 a 450 mL / min / mm Hg Factores que afectan la capacidad de difusión. Espesor o grosor de la membrana. Superficie o área de la membrana. Coeficiente de difusión del gas en la sustancia propia de la membrana. Gradiente de presión del gas a ambos lados de la membrana. Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria. 1- El grosor de la membrana: A mayor grosor de la membrana existe una disminución de la difusión gaseosa. Ej. neumonía Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria. 2- El área superficial de la membrana: A menor superficie de la membrana menor difusión gaseosa. Ej. Enfisema. Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria. 3-El coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana. La ley de Henry afirma que la cantidad de gas que se disolverá en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas y su coeficiente de solubilidad (su atractivo físico o químico para el agua), cuando la temperatura se mantiene constante. 20 veces más soluble Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria. 4-La diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados de la membrana. Difusión del oxígeno a través de la membrana respiratoria. O2 PO2= 104 mm Hg. O2 O2 O2 O2 Δ PO2= 64 mm Hg. PO2= 40 mm Hg. O2 Presión alvèolo- capilar. Presión del O2 La pO2 en el alvéolo es de 104 mmhg, en tanto, que la sangre venosa que entra al capilar es de 40 mmhg. porque ha perdido gran cantidad de oxígeno en el trayecto por los tejidos. Por lo tanto la diferencia de presión 40mm hg 64mmhg hace que el O2 104m difunda hacia los mhg capilares pulmonares Factor de seguridad Cuando la sangre ha recorrido el primer tercio del capilar está casi totalmente saturada de oxígeno, lo que demuestra que permanece en el capilar alrededor de tres veces el tiempo necesario para saturarse de dicho gas, lo que constituye una reserva importante en la capacidad de transporte de oxígeno. Aumento del área superficial de los capilares que participan en la difusión. Apertura de capilares cerrados. Difusión del oxígeno de los capilares a los tejidos y a la célula. O2 O2 O2 Extremo arterial Extremo venoso O2 40 mm Hg 95 mm Hg 23 mm Hg 40 mm Hg La curva indica el porcentaje de la hemoglobina que se satura de oxigeno en la medida en que varía la presión parcial de este gas. Observen que cuando la presión parcial de oxígeno es alta, como sucede en los alvéolos, el 97 % de la hemoglobina se satura del gas, por lo que la sangre que sale de los pulmones, lo hace cargada de oxígeno. Sin embargo, en los tejidos, donde la presión parcial de oxígeno es baja, la hemoglobina solo se satura al 70%, por lo que el gas se desprende de la misma y difunde al líquido intersticial. Efecto Bohr El efecto Bohr es una propiedad de la hemoglobina descrita por primera vez en 1904 por el fisiólogo danés Christian Bohr. Establece que a un pH menor (más ácido, más hidrogeniones), la hemoglobina se unirá al oxígeno con menos afinidad. Cuando existen altas presiones parciales de dióxido de carbono, la hemoglobina libera el oxígeno a los tejidos necesitados. Efecto Haldane El efecto Haldane es una propiedad de la hemoglobina descrita por primera vez por el médico escocés, John Scott Haldane. La desoxigenación de la sangre incrementa la habilidad de la hemoglobina para portar dióxido de carbono Transporte de oxígeno por la sangre ¿Cómo se transporta el oxígeno en la sangre a los tejidos? 97% oxihemoglobina 3% disuelto en el plasma PO2 Contenido de oxígeno de la sangre Difusión del CO2 de la célula a los tejidos y los capilares. Extremo venoso Extremo arterial 40 mm Hg 45 mm Hg. 45 mm Hg CO2 46 mm Hg Difusión del CO2 a través de la membrana respiratoria. PCO2= 40 mm Hg. Δ PCO2= 5 mm Hg. PCO2= 45 mm Hg. CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 Presión alveolo- capilar Presión del CO2 La pCO2 en el alvèolo es de 40 mmHg levemente inferior a la que viene de la sangre arterial que entra al capilar que es de 45 mmHg. Esta diferencia de presión de 5mmhg hace que difunda todo el CO2 desde los capilares hacia los alvéolos 45mm hg 40mm hg Cuando la sangre ha recorrido el primer tercio del capilar casi todo el bióxido de carbono ha difundido hacia el alvéolo, lo que indica que la sangre permanece en el capilar alrededor de tres veces el tiempo necesario para deshacerse de dicho gas, lo que constituye una reserva importante en la capacidad de transporte de bióxido de carbono de los tejidos al exterior. Transporte del bióxido de carbono por la sangre. En forma de ión bicarbonato: Luz del capilar 70 % CO2 H+ CO2 + H2O H2CO3 HCO3- HCO3- Transporte del bióxido de carbono por la sangre. - Disuelto en el plasma y unido a proteínas plasmáticas:7% -Unido a la hemoglobina: 23% Luz del capilar CO2 CO2 + Hb CO2 CO2 CO2-Hb Relación ventilación / perfusión Es la relación existente entre los alvèolos ventilados y su perfusión (irrigación) por parte de los capilares pulmonares Algunas zonas de los pulmones están bien ventiladas pero casi no tienen flujo sanguíneo, mientras que otras zonas pueden tener un flujo sanguíneo excelente con una ventilación escasa o nula. En cualquiera de estas situaciones se produce una grave alteración del intercambio gaseoso a través de la membrana respiratoria, y la persona puede sufrir una dificultad respiratoria grave a pesar de una ventilación total normal y un flujo sanguíneo pulmonar total normal, pero con la ventilación y el flujo sanguíneo dirigidos a partes diferentes de los pulmones. Regulación de la respiración Su objetivo es mantener los niveles de O2 y CO2 en sangre dentro de márgenes estrechos que permitan la funcionalidad celular. La respiración debe integrarse con el sistema digestivo, la emisión de sonidos, la tos, etc. El sistema está formado por un centro respiratorio, que está distribuidos en varios grupos de neuronas integrados en el tronco del encéfalo o bulbo raquídeo. CONTROL DE LA VENTILACIÓN 1. Nervioso: a) Involuntario: Centro respiratorio. b) Voluntario: Corteza y otros centros superiores. 2.Químico: a) Directo: Quimiorreceptor central. b) Indirecto: Quimiorreceptores periféricos. 3. Otros factores. Control de la ventilación Nervioso Voluntario Corteza Haz Corticoespinal involuntario CR Centro respiratorio Neuronas Motoras de ME Inervan los Músculos Respiratorios. MN frénicas, Intercostales internos y externos. Centro respiratorio Centro Neumotáxico Cuarto Ventrículo Grupo Respiratorio Dorsal Vago y Glosofaríngeo Centro Apnéustico Grupo Respiratorio Ventral Vías Nerviosas Respiratorias Grupo respiratorio dorsal o inspiratorio Ritmo básico de la respiración. Centro respiratorio Centro neumotáxico Velocidad y el tipo de respiración, transmite señales inhibitorias al grupo dorsal, controlando la inspiración, limitándola y aumentando la frecuencia respiratoria. Grupo respiratorio ventral Inspiraciones o espiraciones. No actúa en respiración tranquila normal, estimula músculos espiratorios cuando se requiere. REFLEJOS DE HERING – BREUER Receptores de distensión Cese de la inspiración Nervio V a g o Área inspiratoria Regulación humoral de la ventilación Factores químicos CO2 Centro respiratorio H+ O2 Quimiorreceptores Efectos del dióxido de carbono en la regulación Importante efecto agudo. Indirecto sobre el QR y directo sobre el Área quimiosensible. Débil efecto crónico Atraviesa Barrera hematoencefálica. Aumenta la contracción de los músculos respiratorios con el aumento de la ventilación Quimiorreceptores Centrales Periféricos Carótidas aorta No detectan cambios en PO2 Detectan cambios en PCO2 de forma indirecta (por cambios de pH) Detectan cambios en PO2 Detectan cambios en PCO2 de forma directa Integración de la regulación de la respiración Regulaciòn de la respiraciòn en situaciones còmo: - Altura: Disminuye la presión atmosférica Disminuye la PO2, la PO2 alveolar, la difusión de O2 a través de la membrana Disminuye la PO2 arterial. Incrementa la ventilación. Centro respiratorio - Apnea voluntaria Incrementa la PCO2 y disminuye la PO2 Excita el centro respiratorio Incrementa frecuencia respiratoria y profundidad de la respiración Incrementa la ventilación. Se excitan los quimiorreceptores periféricos Regulación de la ventilación durante el ejercicio. CO2 Centro respiratorio H+ Quimiorreceptores O2 El control de la ventilación en el ejercicio físico es básicamente neural, pero los factores humorales modulan la actividad del centro respiratorio. Bibliografía Bibliografía básica: Bibliografía complementaria: -Tratado de Fisiología Médica. Guyton-Hall, 12ma. Ed., capítulos 37 ,39, 40 y 41. CONCLUSIONES 1) La ventilación constituye la primera etapa de la respiración y se desarrolla en dos fases: la inspiración y la espiración. 2) La mecánica de la ventilación se produce de acuerdo con el balance que se establezca entre la actividad muscular y las tendencias elásticas del Sistema Respiratorio. 3) La acción de los músculos respiratorios determina cambios de volumen de la caja torácica y de los pulmones y cambios de presiones que garantizan la ventilación pulmonar .4) El estudio de los volúmenes y capacidades pulmonares a través de la espirometría nos permite valorar los cambios morfofuncionales en el Sistema Respiratorio. 5) El control de la ventilación se produce por la influencia de factores nerviosos y humorales o químicos. 6) El control nervioso involuntario o automático depende de la actividad rítmica del Grupo Respiratorio Dorsal modulado por los otros componentes del Centro Respiratorio y el control químico de la ventilación. 7) En condiciones fisiológicas y de forma aguda la PCO2 es el factor humoral más importante en el control de la ventilación alveolar.