FISIOLOGÍA DE LA RESPIRACIÓN (Difusión, Transporte de Gases) Fabiola León-Velarde Dpto. de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte de Oxígeno

Gradiente de presión de O2 del ambiente hasta los tejidos. INSP ALV ART CAP VEN-M 140 100 (mm Hg) PO2 60 40 mmHg 20

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.

Variables del intercambio gaseoso 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 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 Mantener la respiración por 10 segundos. 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

(DL) CAPACIDAD DE DIFUSIóN - El componente de membrana 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

TRANSFERENCIA DE GASES Limitado por Perfusión

Difusión de O2 en Normoxia 29 29

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 100 100 40

TRANFERENCIA DE GASES Limitado por Difusión Limitado por Perfusión 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%

b a Grupo HEM Fe++ b a

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 Hb 1 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

22 18 14 10 6 2 O2 total 100 80 60 40 20 C de O2 ml/100ml Sat (%) Hb O2 combinado con Hb O2 disuelto 0 20 40 60 80 100 600 Po2 mmHg

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%) Log (SatO2/1-Sat02) n log P50 logPO2 mm Hg

P50 Log (SatO2) = log K + n log PO2 (1-SatO2) A SatO2 = 50% 1- 0.5 0 = logK + n log P50 Log K = - n log P50 A < n ; < cooperatividad

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 a y b, pero pueden competir por un mismo sitio.  T°, debilita la unión entre la Hb y el O2. Reacción exotérmica (DH=-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 = Dlog P50/DpH

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 250 ml de O2 son extraídos de la sangre en 1 min. 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 Hipóxica (hipoxemia). Anémica. Circulatoria La cantidad disponible de O2 para el metabolismo celular es inadecuada. Existen 4 tipos de hipoxia: Hipóxica (hipoxemia). Anémica. Circulatoria Histotóxica.

Hipoxemia La Hipoxemia es causada por cuatro razones principales: Hipoventilación (enf. Resp.), disminución de la PO2, respirar menos de 21% de O2. Difusión alterada. Cortocircuitos (“shunts”) Relación Ventilación – Perfusión alterada.

Hipoxia Anémica Es causada por: Concentración disminuída de Hb. CO La PaO2 es normal, pero disminuye la capacidad de la sangre para el O2. Es causada por: Concentración disminuída de Hb. CO Meta Hb.

Hipoxia Circulatoria La Hipoxemia es causada por: 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: Disminución de flujo sanguíneo, insuficiencia vascular. 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.