organización del sistema respiratorio, volúmenes y capacidades pulmonares dra. adriana suárez...

Organización del sistema respiratorio,

volúmenes y capacidades pulmonares

Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Guía de estudio• Objetivos terminales: 1. Describir e interpretar las principales funciones

fisiológicas del sistema respiratorio y correlacionarlas con la estructura anatómica del mismo.

2. Conocer, calcular y analizar los volúmenes y capacidades pulmonares y las técnicas utilizadas en su determinación para asociarlos con los determinantes fisiológicos que los regulan y compararlos con los valores normales.

• Capítulo 26 del Boron.• Laboratorio de respirometría • ATPs


“La vida inicia y termina con la respiración”


Respiración externa:

1. Transporte de O2 de la atmósfera a la mitocondria.

2. Transporte de CO2 de la mitocondria a la atmósfera. Relacionado con homeostasis ácido base.

Respiración interna:

( respiración celular en la mitocondria, fosforilación oxidativa)

Principal función del sistema respiratorio es el intercambio de gases



Flujo ∆P x Area/R

Un sistema de convección externo (ventilación alveolar) y otro interno (circulación sanguínea) asegura mejores gradientes de concentración de los gases entre el alveolo y la sangre capilar pulmonar y entre la sangre capilar y las mitocondrias de las células de los tejidos.

Ley de Henry

La concentración de un gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial en la fase gaseosa. [O2]dis= s x PO2

S: constante de solubilidad para el oxígeno: 0.0013 mM/mmHg a 37°C. La solubilidad del CO2 es 23 veces mayor: 0.0299 mM/mmHg a

37°C.


Boron, 2da ed.

Gradiente químico = Delta C (∆ C) = 0.13- 0.05 = 0.08 mMGradiente de presión = Delta P (∆ P) = 100-40= 60 mmHg



Consumo de O2/min = 250 ml/min. Vent alveolar 4000mL/min:250 mL/min, 16:1

Ley de Dalton

En una mezcla de gases, cada gas ejerce una presión que depende de su propia concentración independientemente de los demás gases presentes en la mezcla

Ptotal= PA+PB+PC

Px = P total * Fx

Px: Presión del gas x

P total: Presión total de una mezcla de gases

Fx: concentración fraccional del gas en la mezcla Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

PIO2= FO2 x (PB - PH2O) = 149mmHg

= 21% (760 - 47) = 21%(713)


Composición del aire

•Concentración fraccional de los gases es la misma en la atmósfera: O2: 21%, N2: 79%, CO2: 0.03%

•Las presiones parciales de los gases son un poco mayor en el aire seco que en el aire saturado con vapor de agua.

•Las presiones parciales de los gases en el aire saturado con vapor de agua determinan la concentración de los gases en el plasma.

•Calcular las presiones parciales de los gases en diferentes altitudes: PBO2= 760 mmHg 0.21= 159 mmHg

•Al inspirar el aire se calienta y se satura con vapor de agua. A 37° C P H2O: 47 mmHgDra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Presión parcial de oxígeno atmosférico, inspirado y alveolar a

nivel del mar


Ley de Fick de la difusión simple

Vgas= A D (P1-P2)

T

Vgas: volumen de gas que difunde por unidad tiempo

A: área de la membrana (70m2)

T: grosor de la membrana (0.15-0.3um)

P1-P2: gradiente de presión

D: solubilidad/ √PMTransporte de O2 y CO2 es tres veces más rápidoque lo necesario cuando el GC es normal.


Gradiente de difusión para el CO2

PACO2-PvCO2= 40 – 46= 6 mmHg

Si el sistema de convección externo falla (ventilación alveolar), la PAO2 y la PACO2 tenderán a parecerse a los valores venosos y el intercambio de gases será muy malo.


100 mmHg

En la unidad alvéolo capilar, el oxígeno difunde hacia la sangre y el

CO2 sale al alvéolo

Gradiente de difusión para el O2

PAO2-PvO2= 100-40= 60 mmHg

Componentes claves del sistema respiratorio:

1. Bomba de aire: ventilación pulmonar, ventilación alveolar

2. Mecanismos de transporte de gases en la sangre: eritrocitos, hemoglobina (O2 y CO2).

3. Superficie de intercambio: membrana alvéolo capilar

4. Sistema circulatorio: sistema de convección interno.

5. Mecanismos locales que regulan la ventilación y la perfusión pulmonar.

6. Mecanismo central de regulación de la ventilación.


Generaciones de las vías aéreasVías aéreas de conducción: espacio muerto anatómico VD: 1 ml/lb peso corporalEspacio

alveolar total: 5 a 6 litros.

Cilios,células que secretan moco, glándulas submucosas y cartílago disminuyen al avanzar en las generaciones en la vía aérea.


1. Convección: movimiento en masa. dP = PB-PA Así se mueve el aire hasta llegar hasta los bronquiolos terminales.

2. Difusión: Mecanismo por el cual el aire se mueve desde los bronquiolos respiratorios hasta los sacos alveolares.

Bronquiolos terminales: área de sección transversal 180 cm2

Tráquea: área de sección transversal 2.5 cm2


Red alveolo capilar (interfase aire-sangre)

480 millones de alvéolos (su número aumenta hasta los 8 años). Diámetro: 75 a 300 m

500 a 1000 capilares por alveolo.

Área total de intercambio: 50 a 100 m2 . Grosor: 0.2-0.5 um.Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

100

100

100

Membrana de intercambio respiratorio:

•Líquido alveolar

•Células alveolares (neumocitos tipo I y II)

•Membrana basal del epitelio alveolar

•Membrana basal del endotelio capilar

•Células endoteliales


Células alveolares tipo I: cubren 90- 95% de superficie alveolar.

Células alveolares tipo II: cubren del 2 - 5 % de la superficie alveolar, son cuboides. Producen el factor surfactante. Sirven como células de regeneración y reparación (se diferencian en células tipo I)

Poros de Kohn: comunican alveolos adyacentes, previenen el colapso alveolar (atelectasias). Dra. Adriana Suárez Urhan MSc.

Profesora Asociada

El intersticio pulmonar tiene: tejido conjuntivo, músculo liso, capilares, linfáticos, fibroblastos: colágeno (limita distensibilidad) y elastina (contribuye con retracción elástica pulmonar), cartílago. Puede expandirse por entrada de células inflamatorias y líquido (edema).


Capilares pulmonares:Diámetro interno: 8 umLargo 10 umVolumen sang.: 70 mL (reposo), 200mL (ejercicio: reclutamiento y distensión).

Un eritrocito dura 0.75 satravezando el territorio de los capilares pulmonares.

Irrigación sanguínea de los pulmones:

1. Arterias pulmonares2. Arterias bronquiales (1-2% del

GC): llegan hasta bronquiolos terminales, irrigan vasos y nervios, ganglios linfáticos y pleura visceral.

250 a 300 mL de sangre x m2 superficie corporal.

Venas pulmonares: tienen gran capacidad de contener sangre. Tienen músculo liso y regulan su diámetro. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Estímulo parasimpático: BroncoconstricciónVasodilataciónAumento secreciones

Estímulo simpático:BroncorelajaciónVasoconstricciónInhibe secreciones

Inervación no adrenérgica y no colinérgica (inhibitoria y excitatoria)

Fibras aferentes de dolor se limitan a la pleura.

Inervación


Otras funciones del sistema respiratorio

• Olfato• Procesar aire antes de que llegue a alveólos: calentarlo (evita burbujas en

tejidos), humedecerlo, filtrarlo: (nariz: partículas >10um se impactan en el moco; partículas entre 2 y 10um pueden sedimentarse en vías aéreas más pequeñas; partículas <0.5um llegan a alveólos: macrófagos alveolares, linfáticos)

• Mecanismos de defensa pulmonar: filtrar, tos, aparato mucociliar, macrófagos alveolares, enzimas, linfáticos, anticuerpos.

• Reservorio de sangre para el ventrículo izquierdo: pulmón contiene 500 mL de sangre.

• Filtro para la sangre: filtrar coágulos, grasa, gas, células metastásicas• Equilibrio ácido base: manejo del ácido volátil; CO2

• Fonación: hablar como fenómeno espiratorio• Intercambio de líquidos y absorción de medicamentos• Pérdida de agua y calor• Bomba respiratoria: mejora el retorno venoso


Sistema de limpieza mucociliarFormado por:

1.Líquido periciliar (fase sol): permite mov de cilios. Es seroso no viscoso prod por células ciliadas de la vía aérea por transp activo de iones (Cl- y Na+)

2.Moco (fase gel): Encima de liq periciliar. Abund glicoproteínas. Se produce 100 mL/día

3.Cilios: puntas contactan con el moco. 250/célula. Se mueven a 1000 golpes/min. Mov anterógrado (elevador ciliar).

Células caliciformes (desaparecen 12 div)

Células Clara en bronquiolos: Regeneración del epitelio.

Existen donde hay cartílago

Con células mucosas y serosas


Funciones metabólicas de los pulmones:

Células endoteliales de capilares pulmonares tienen enzimas y receptores importantes en su función metabólica.

Metabolizan: aminas vasoactivas, citocinas, mediadores lipídicos, proteínas.

Angiotensina I: convertida a angiotensina II

Serotonina: internalizada y metabolizada

Células endoteliales sintetizan y secretan: prostaciclina, endotelina, factores de coagulación, NO, prostaglandinas, citoquinas. No sintetizan leucotrienos.

Mastocitos pulmonares sintetizan y secretan: histamina, enzimas lisosómicas, prostaglandinas, leucotrienos, factor inhibidor de las plaquetas, factores quimiotácticos para neutrófilos y eosinófilos, serotonina.

Células endoteliales tienen receptores para: bradicinina, TNF, comp del complemento, inmunoglobulinas, moléculas de adhesión.



No se afectan En gran parte removidos

PGA1, PGA2, PGI2 PGE1, PGE2, PGF2alfa, leucotrienos

Histamina, epinefrina, dopamina, isoproterenol

Serotonina. bradicinina

Angiotensina II, arginina vasopresina, gastrina, oxcitocina

Angiotensina I (convertida a angiotensina II)

Boron, 2da ed.

Metabolismo de sustancias vasoactivas

Ley de los gases ideales

PV= nRTP: presión

V: volumen

n: Número de moles de gas

R: constante de los gases ideales (8.31 J K-1 mol-1)

T: temperatura en grado K

Un mol de un gas a STP ocupa 22.4 L

Si hablamos del mismo número de moléculas de un gas, entonces “n” y “R” son constantes y podemos expresar la ley como:

P1V1/T1 = P2V2/T2


Condiciones estándar con las que se corrigen las mediciones que involucran el

volumen de los gases

• BTPS: Temperatura y presión corporales saturadas con vapor de agua (Body Temperature and Pressure Saturated).

• ATPS: Temperatura y presión ambientales saturadas con vapor de agua (ambient temperature and pressure saturated).

• ATPD: Temperatura y presión ambientales en seco (ambient, temperature, pressure, dry).

• STPD: 273 K, 0 C, 101.3 kPa, 760 mmHg, en seco (Standard Temperature and Pressure Dry)


Volúmenes y capacidades pulmonares:•Se pueden medir por medio de una espirometría usando un espirómetro.

•El registro obtenido se llama espirograma o respirograma

•Se hacen mediciones estáticas (tiempo no importa; el volumen pulmonar no cambia con el tiempo) y dinámicas (Flujos: Volumen/tiempo; el volumen pulmonar cambia con el tiempo). Se miden los volúmenes espiratorios (VE).

•Aire en el respirómetro se encuentra a ATPS. Volúmenes se expresan a BTPS (resultados lababoratorio se deberían de corregir).

•Tamaño de pulmones depende de: estatura, edad, sexo, m2 de superficie corporal, peso


Espirómetro de impedancia

Espirómetros


Sherwood L. Human Physiology. 6xth ed. Thomson. 2007Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

¿Por qué es importante medir los volúmenes y capacidades pulmonares?

•Determinados por la mecánica pulmonar: propiedades del parénquima pulmonar, de la pared torácica y de su interacción.

•En la enfermedad pulmonar cambian: Ayudan en su diagnóstico: diferenciar problemas obstructivos (asma y enfisema) de restrictivos (fibrosis pulmonar).

•Cambian con los cambios de posición del cuerpo

•Cambian al envejecer

•Cambian con el embarazo



CuatroVolúmenes pulmonares:

1. Volumen corriente (VC): volumen de aire que entra y sale por la nariz o la boca en cada respiración: 0.5 L; 6 a 7 mL/Kg

2. Volumen de reserva inspiratorio (VRI): es el volumen de aire inspirado en una máxima inspiración que comienza al final de una inspiración corriente normal: aprox. 2.5 L en M y 1.9 L en F.

3. Volumen de reserva espiratorio (VRE): es el volumen de aire que puede ser espirado en un máximo esfuerzo que comienza al final de una espiración corriente normal: Aprox. 1 a 1.5 L en M y 0.7 L en F.

4. Volumen residual (VR): es el volumen de aire que permanece en los pulmones al final de una espiración forzada máxima: aprox. 1.2 a 1.5 L en M y 1.1 L en F. Disminuye trabajo respiratorio y permite que los gases arteriales no oscilen mucho durante el ciclo respiratorio.

VRI depende de factores como:

• El volumen pulmonar al iniciar la inspiración máxima• La distensibilidad o compliance (C) pulmonar• Fuerza de los músculos respiratorios y de la integridad de

su inervación• Ganas con que realice el esfuerzo.• Flexibilidad de la caja torácica• Postura del sujeto: si se encuentra acostado el VRI será

menor.

Estos factores también son importantes en determinar la CV y el VRE.


Capacidades pulmonares (suma de uno o más volúmenes):

1. Capacidad pulmonar total (CPT= VC+VRI+VRE+VR): volumen de aire que se encuentra en los pulmones después de un esfuerzo inspiratorio máximo: aprox. 6 L en M y 4.2 L en F.

2. Capacidad inspiratoria (CI= VC+VRI): volumen de aire respirado en una máxima inspiración que comienza al final de una espiración normal: aprox. 3.8 L en M y 2.4 L en F.

3. Capacidad vital (CV= VRI+VC+VRE): volumen de aire espirado en una máxima espiración forzada máxima que inicia después de una inspiración forzada máxima: 4.8 L en M y 3.1 L en F. La capacidad vital forzada (CVF) se usa para estudiar la resistencia de la vía aérea.

4. Capacidad residual funcional(CRF=VRE+VR): volumen de aire que permanece en los pulmones al final de una espiración corriente normal: aprox. 2.2 a 3.0 L en M y 1.8 L en F. Se le ha llamado el volumen de reposo de los pulmones o el volumen de relajación.


Mediciones dinámicas ( el tiempo es importante)1. Capacidad vital forzada (CVF): volumen máximo de aire que puede ser

espirado forzadamente después de una inspiración hasta la capacidad pulmonar total. (Aprox. 5 L). Útil en medir resistencia de vía aérea.

2. Volumen espiratorio forzado en el primer segundo (VEF1): volumen máximo de aire espirado en el primer segundo forzadamente después de una inspiración hasta la capacidad pulmonar total. (Aprox. 3.8-4.0 L).

3. Cociente: volumen espiratorio forzado/ capacidad vital forzada,VEF1/ CVF % (Índice de Tiffeneau): porcentaje de la capacidad vital forzada espirada forzadamente durante el primer segundo. (80%). Es un buen índice de la resistencia de las vías aéreas.

4. Flujo medio a la mitad de la espiración forzada (FEF 25-75): flujo medio máximo, medido trazando una línea entre los puntos que representan el 25% y el 75% de la capacidad vital forzada (4.7 l). Se pueden detectar obstrucciones al flujo del aire.


Capacidad vital forzada (CVF)

VEF1

X VEF1= 4.01 litros

CVF= 5.01 litros

VEF1/ CVF = >72%-80 %


CVF: paciente con problemas obstructivos

VEF1= 1.3 litros

CVF= 3.1 litros

VEF1/CVF= 42% (<72%)

Relación VR/CPT aumenta por aumento de el VR


CVF: paciente con problemas restrictivos

VEF1= 2.8 litros

CVF= 3.1 litros

VEF1/CVF= 90%


Cambios en volúmenes y capacidades pulmonares en enfermedades restrictivas y obstructivas

Restrictiva: aumenta la retracción elástica pulmonar


Cambios en volúmenes y capacidades pulmonares según posición del cuerpo

Capacidad vital no cambia, VR no cambia, CPT no cambia

VRE disminuye y el VRI aumenta Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Cambios de los volúmenes y capacidades pulmonares con el envejecimiento (función pulmonar empieza a

declinar desde los 25 años)

Se pierde retracción elástica pulmonar/distensiblidad pulmonar aumenta

Disminuye fuerza de músculos de la respiración

Disminuye la superficie alveolar

Distensibilidad torácica disminuye

Aumenta la CRF

CPT es igual ó menor

Aumenta el VR

Disminuye VEF1

Disminuye el FEF 25-75


Curvas o Asas flujo volumen

Fuente: ATP

•Se miden con el respirómetro de impedancia (vitalógrafo). Sistema abierto.

•Sirven para el diagnóstico de patología pulmonar: obstructiva, restrictiva, mixta.

•Normalmente, el flujo inspiratorio máximo es similar al flujo espiratorio máximo.

•A volúmenes pulmonares altos, el flujo de aire es dependiente del esfuerzo. A mayor esfuerzo, mayor flujo.

•A volúmenes pulmonares bajos, el flujo es independiente del esfuerzo ya que se da la compresión dinámica de la vía aérea.


El flujo inspiratorio depende de:1.Fuerza de musc. Insp.2.Retracción elástica pulm.3.Resistencia de vía aérea.

Pico de flujo se observa a volumen pulmonar intermedio entre CPT y VR

Flujo espiratorio máximo: se da tempranamente


Limitación del flujo espiratorio


Enfermedad restrictiva:

•Disminuye el pico de flujo espiratorio ya que la capacidad pulmonar total está disminuida.

•Rama descendente de la curva es similar a la normal


Enfermedad obstructiva:

•Disminuye el pico de flujo espiratorio ya que hay obstrucción al flujo del aire

•Se relacionan con volúmenes pulmonares altos (atrapamiento de aire)

•Volumen residual se encuentra aumentado

•La rama descendente de la curva está deprimida. Los flujos son bajos a cualquier volumen pulmonar.


Ventilación voluntaria máxima (VVM)

• Se llamaba capacidad respiratoria máxima.• Es el mayor volumen de aire que puede desplazarse al

interior y exterior de los pulmones en un minuto mediante un esfuerzo voluntario.

• 125-170 l/min: 150L/min: 20 años hombre 100L/min: 20 años mujer• Disminuye con la edad• La mediremos en el Lab. con el respirómetro de

impedancia en 12-15 s.


Medición del VR o de la CRFSe puede usar la técnica de dilución de helio (gas inerte e insoluble). Es un método de circuito cerrado (paciente inspira y espira en tanque). Masa de gas constante. Ley de conservación de la masa.

V1C1 = V2C2


Sherwood L. Human Physiology. 6xth ed. Thomson. 2007

LEY DE BOYLE

A temperatura constante y con la masa constante:

P1V1=P2V2


Pletismografía corporalMás exacto que dilución He.

Ley de Boyle: a temperatura constante y con un número de partículas de gas constante:

P x V = constante.

P1V1=P2V2

P x VL= (P- ∆P)(VL+ ∆VL)

VL=∆VL x (P-∆P)/∆P

Ejemplo:

VL= 0.05L (760mmHg – 12 mmHg)/ 12 mmHg= 3.1 L

Mide CRF ó VR.Dra. Adriana Suárez Urhan MSc.

Profesora Asociada

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