FISIOLOGÍA DE LA RESPIRACIÓN(Difusión, Transporte de Gases)

Fabiola León-VelardeDpto. de Ciencias Biológicas y Fisiológicas

Laboratorio de Transporte de Oxígeno

20

60

100

140

INSP ALV ART CAP VEN-M

Gradiente de presión de O2 del ambiente hastalos tejidos.

PO

2

(mm

Hg

)

40 mmHg

PROCESOS FISICOS RESPONSABLES DE LA RESPIRACIÓN

DIFUSIÓN: Es el movimiento de moléculas de un gas de una alta concentración a una baja concentración de acuerdo a sus presiones parciales individuales.

CONVECCIÓN: Es el movimiento de un gas de una alta concentración a una baja concentración en función del movimiento del medio en que se encuentra dicho gas.

En el pulmón:CONVECCIóN : MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2)

En la membrana alveolo-capilar:DIFUSIóN : MO2 = DL (PAO2 – PaO2)

En la sangre:CONVECCIóN : MO2 = Vsang (CaO2 – CvO2)

En los tejidos:DIFUSIóN : MO2 = DT (PcO2 – PtO2)

Variables del intercambio gaseoso

Variables del intercambio gaseoso

CONVECCIóN: MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2)

MO2 = masa de O2; Vaire = volumen de aire; CiO2 = concentración de O2 en aire inspirado; CeO2 = concentración de O2 en aire espirado.

Afectado por: resp/min, volumen corriente, espacio muerto.

DIFUSIóN: MO2 = DL (PAO2 – PaO2)

DL = capacidad de difusión del pulmón; PAO2 = presión de O2 en aire alveolar; PaO2 = presión de O2 en sangre arterial.

Afectado por: área de superficie, volumen capilar, espesor de la pared alveolar, concentración de Hb.

Variables del intercambio gaseoso

CONVECCIóN: MO2 = Vsang (CaO2 – CvO2)

Vsang = volumen de sangre; CaO2 = concentración de O2 en sangre arterial; CvO2 = concent. de O2 en sangre venosa.

Afectado por: latidos/min, volumen min, CDHb, 2,3-DPG, [Hb], distribución de flujo sanguíneo.

DIFUSIóN: MO2 = DT (PcO2 – PtO2)

DT = capacidad de difusión de los tejidos; PcO2 = presión de O2 en sangre capilar; PtO2 = presión de O2 en los tejidos.

Afectado por: área de superficie de las células, densidad mitocondrial, volumen y densidad capilar, concentración de las enzimas respiratorias.

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

MEDIDA DE LA DLCO

• Inspiración única de una mezcla diluída de CO

• Mantener la respiración por 10 segundos.

• Medida de transferencia de CO, y comparación de las concentraciones en el aire inspirado y espirado.

• Valor normal: 25 ml/min/mmHg

CAPACIDAD DE DIFUSIóN

(DL)

DEPENDE DE:

- El componente de membrana- área de intercambio- distancia de difusión- presión parcial

- El componente sanguíneo- tiempo de reacción Hb-O2 (flujo sang.) - concentración de Hb

Limitado por PerfusiónTRANSFERENCIA DE GASES

Difusión de O2 en Normoxia

TRANSFERENCIA DE GASES

Limitado por Difusión Limitado por Perfusión(en tejidos)

PA PA

Pa En pulmón Pa refleja anormalidad

40

Inicio (long. Capilar) Fin Inicio (long. Capilar Fin 40

100100

TRANFERENCIA DE GASES

• Limitado por Difusión– CO: Se mantiene el gradiente y la transferencia de gas

puede continuar.Sólo las características de la membrana

alveolo capilar limitan este intercambio.

• Limitado por Perfusión– N2, CO2, O2: El gradiente se pierde rapidamente

(PA=Pa). La transferencia del gas es función del flujo.– Para que continúe el proceso de transferencia del gas

DEBE fluir sangre adicional.

INTERCAMBIO GASEOSO LIMITADO POR DIFUSIóN Y POR PERFUSIóN

Equilibrio ventilación/perfusión se alcanza normalmente a los 0.25 seg.

Limitada por difusión a nivel tisular:PA>PCAP porque hay poca afinidad por el gas o porque ha sido captado por la hemoglobina, como en el caso de CO.

Limitada por perfusión a nivel pulmonar:PA = PCAP

Diferencia A-a

• PAO2 - PaO2 Valores normales 5-20 mmHg– CAUSA:

– El “shunt” anatómico normal

– Ventilación/Perfusión alterada.

• La diferencia A-a aumenta con las enfermedades pulmonares.

• NOTA: Los valores normales varían en 100% O2.

Transporte e Intercambio de Gases

• Membrana alveolo-capilar: epitelio alveolar, endotelio capilar, espacio intersticial y sustancia surfactante alveolar.

• Difusión (por diferencia de presiones) de O2 y

CO2 en direcciones opuestas entre alveolos. • La presión es directamente proporcional a la

concentración de las moléculas del gas.• Presión de un gas en solución --> Ley de Henry

LEY DE HENRY

[O2] = . PO2 PO2 = [O2] /

= 0.003 ml O2 /100 ml . 1 mm Hg

Si PO2 = 100 mm Hg

[O2] = 0.003 x 100 = 0.3 ml/100 ml

= 0.3 vol%

Grupo HEM

Fe++

Transporte de O2 en la Hb

• 4O2 + Hb4 Hb4 (O2) 4 reacción reversible

• Hb se combina con 4 moléculas de oxígeno

• 2 formas: Oxihemoglobina (forma R) y Desoxihemoglobina (forma T)

• Forma de transporte muy eficiente

Oxígeno en la Hb

(mM) Hb + 4 O2 (mM)

1 mmol Hb = 64.5 g Hb1 mmol O2 = 22.4 ml.

4 x 22.4 ml/mmol O2 / 64.5 g Hb

= 1.39 ml O2/g Hb

15 g de Hb se combinan con 1.34 ml O2 (VN) Capacidad de Hb = 15 x 1.34= 20.1 ml O2 /100 ml

O2 disuelto [O2] = 0.3 ml O2/100 ml

O2 disuelto

O2 combinado con Hb

O2 total

0 20 40 60 80 100 600 Po2 mmHg

100

80

60

40

20

0

Sat

(%)

Hb

2

2

1

8

1

4

1

0

6

2

C

de

O2

ml/100ml

Saturación de la Hb por el O2

• El porcentaje de saturación es el % o grado de ocupación de grupos Hem unidos a O2

Sat = Contenido de O2 en la Hb x 100

Capacidad de O2

• Sat. arterial = 99 - 97% PaO2 = 100mmHg

• Sat. venosa = 75% Pv02 = 40mmHg

CONTENIDO DE O2

Cont. O2 Hb = Sat O2 x Hb x 1.34

= 0.98 x 15 x 1.34 = 19.7 ml O2 /l00 ml

Cont. O2 Total =

Cont. O2 Hb + Cont. O2 disuelto (Cont O2 dis. = PAO2 x 0.003 = 100 x 0.003)

= 0.3 + 19.7 = 20 ml O2 /l00 ml sangre

Hb: proteína alostérica

• Tiene más de un sitio (4) de unión al ligando.

• Alosterismo cooperativo: la unión del 4° ligando es más fácil que la del 1°, gracias a un cambio conformacional en la molécula.

Hb: proteína alostérica

• La unión con el O2 ocurre debido a pequeños cambios en la estructura terciaria de los segmentos cerca del HEM y un gran cambio en la estructura cuaternaria.

• Cambio de la forma T (desoxiHb, tensa) a R (HbO2, relajada).

Significado fisiológico de la forma sigmoide de la curva

Critical PO2

V

N de Hill = 3 (O2 liberado 80%)

logPO2 mm Hg

Log (SatO2/1-Sat02)

n

log P50

Log (SatO2) = log K + n log PO2

(1-SatO2)

A SatO2 = 50%log 0.5 = 0 1- 0.50 = logK + n log P50Log K = - n log P50

A < n ; < cooperatividad

P50

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 estabilisan la

estructura T, disminuyendo la afinidad.• Todos los efectores se unen en diferentes

lugares de las cadenas y , pero pueden competir por un mismo sitio.

T°, debilita la unión entre la Hb y el O2. Reacción exotérmica (H=-11 kcal/mol).

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 Bohr = log P50/pH

Factores que afectan la capacidad de la Hb

• Cambios en la concentración de Hb• Presencia de CO• Formación de metaHb(el Fe++ se oxida a Fe+++)

Pregunta de examen

• ( ) La hemoglobina se satura al 50% con oxígeno a un PO2 de aproximadamente 27 mm Hg.

• ( ) La hemoglobina de la sangre arterial está aproximadamente 97% saturada a un PO2 de 100 mm Hg.

• ( ) La unión del oxígeno al HEM convierte el fierro ferroso a férrico.

• ( ) El oxígeno disuelto en sangre es función lineal de la presión parcial de O2.

• ( V ) La hemoglobina se satura al 50% con oxígeno a un PO2 de aproximadamente 27 mm Hg.

• ( V ) La hemoglobina de la sangre arterial está aproximadamente 97% saturada a un PO2 de 100 mm Hg.

• ( F ) La unión del oxígeno al HEM convierte el fierro ferroso a férrico.

• ( V ) El oxígeno disuelto en sangre es función lineal de la presión parcial de O2.

Aporte de Oxígeno

ApO2 = QT . (Cart O2 x 10)

= 5L x (20 vol% x 10 = 1000 ml O2 /min

Donde QT es el gasto cardíaco o flujo total de sangre, Cart O2 es el contenido de O2 en sangre arterial (GC = Vol.lat x lat/min)

ApO2 disminuye si se reduce: La oxigenación de la sangre La concentración de hemoglobina El gasto cardiaco

Diferencia a-v en contenido de O2

• CaO2 - CvO2

• CaO2 = 20 vol%; CvO2 = 15 vol%• CaO2 - CvO2 = 5 vol%

– 50 ml O2 / L

– 50 ml de O2 son extraídos de 1L de sangre

para el metabolismo tisular.

Consumo de Oxígeno

VO2 = QT . (Cart O2 - Cven O2) x 10

= 5L x (5 vol% x 10) = 250 ml O2 /min

Donde QT es el gasto cardíaco o flujo sanguíneo, Cart O2 es el cont. de O2 en sangre arterial y Cven O2 es el cont. de O2 en sangre venosa

– 250 ml de O2 son extraídos de la sangre

en 1 min.

Coeficiente de extracción de oxígeno

Coef. E = (CART O2 - CVEN O2)

CART O2

= 5 vol% = 0.25 20 vol%

ApO2 = 1000 ml O2 /min

En 1 min, con un ApO2 = 1000 ml O2 /min y un Coef. E de 0.25, 250 ml de O2 son metabolizados por los tejidos y 750 ml de O2 regresan a los pulmones.

Hipoxia Tisular

• La cantidad disponible de O2 para el metabolismo celular es inadecuada. Existen 4 tipos de hipoxia:

1. Hipóxica (hipoxemia).

2. Anémica.

3. Circulatoria

4. Histotóxica.

Hipoxemia

• La Hipoxemia es causada por cuatro razones principales:

1. Hipoventilación (enf. Resp.), disminución de la PO2, respirar menos de 21% de O2.

2. Difusión alterada.

3. Cortocircuitos (“shunts”)

4. Relación Ventilación – Perfusión alterada.

Hipoxia Anémica

La PaO2 es normal, pero disminuye la capacidad de

la sangre para el O2.

Es causada por:

1. Concentración disminuída de Hb.

2. CO

3. Meta Hb.

Hipoxia Circulatoria

La PaO2 y el Cont. O2 son normales, pero disminuye

la cantidad de sangre y por lo tanto de O2.

• La Hipoxemia es causada por:

1. Disminución de flujo sanguíneo, insuficiencia vascular.

2. Cortocircuitos (“shunts”) arterio-venosos.

Hipoxia Histotóxica

• Es causada por:

La incapacidad de los tejidos de utilizar el O2.

La PaO2 y el Cont. O2 son normales, pero los tejidos

están muy hipóxicos.La PvO2, el CvO2 y SvO2 pueden estar elevados,

pues el O2 no está siendo utilizado.