SEMINARIO 8: FISIOLOGIA RESPIRATORIA.1. La siguiente figura muestra un registro espirométrico típico, con los volúmenes y capacidades pulmonares. a. Describa cada uno de los componentes indicados. TLC (CPT): Capacidad pulmonar total: Volumen máximo al que se puede ampliar los pulmones con el mayor esfuerzo inspiratorio. 5900 ml capacidad vital + volumen residual. VC: Capacidad vital éste es el máximo volumen de aire que se puede expulsar de los pulmones después de la más profunda inspiración posible. 4700 ml Volumen de reserva inspiratoria + volumen corriente + volumen de reserva espiratorio. FRC: Capacidad residual funcional cantidad de aire que permanece en los pulmones después de la espiración normal 2400 mL aprox. Volumen de reserva espiratorio + volumen residual RV: Volumen residual éste es el volumen de aire que permanece en los pulmones al final de un esfuerzo espiratorio máximo. 1200 ml ERV: Volumen de reserva espiratorio Volumen extra de aire que puede ser espirado sobre el volumen corriente normal 1200 ml IC: Capacidad inspiratoria es la cantidad de aire que se respira desde el nivel de espiración normal y distendiendo sus pulmones a la capacidad máxima. 3500 ml Volumen corriente + volumen de reserva inspiratoria EC: Capacidad espiratoria máximo volumen de aire desplazado en una espiración intensa, posterior a una inspiración normal. 1.700 ml volumen corrientes + volumen de reserva espiratorio VT (VC): Volumen corriente Volumen de aire inspirado o espirado en cada respiración normal 500mL IRV: Volumen de reserva inspiratorio Volumen extra de aire que puede ser inspirado sobre el volumen corriente normal 3000mL b. ¿Qué volúmenes y capacidades pulmonares se pueden medir con la espirometría? CPT : Capacidad pulmonar total (6,0 l) CRF : Capacidad residual funcional (2,4 l) CV : Capacidad vital (4,7 l) Vc : Volumen corriente (0,5 l) CVF : Capacidad vital forzada (4,7 l) VEMS1 : Volumen espiratorio máximo en 1 s c. ¿Qué proporción aproximada del volumen pulmonar en reposo (capacidad funcional residual = FRC) representa el espacio muerto anatómico? El espacio muerto anatómico es el volumen de las vías aéreas de conducción, incluidos la nariz (y/o la boca), la tráquea, los bronquios y los bronquiolos, y excluidos los bronquiolos respiratorios y los alveolos. El volumen de las vías aéreas de conducción es de unos 150 ml. De esta forma, por ejemplo, cuando se inspira un volumen corriente de 500 ml, todo el volumen no alcanza a los alveolos para el intercambio de gases. Un volumen de 150 ml llena las vías aéreas de conducción (el espacio muerto anatómico, donde no hay intercambio de gases) y 350 ml llenan los alveolos. d. ¿Qué sucede con el volumen del espacio muerto y su proporción, cuando el volumen pulmonar aumenta hasta la capacidad pulmonar total? El espacio muerto aumenta al aumentar el volumen corriente (volumen pulmonar) por dilatación de las vías, pero la proporción de este aumento es menor que el del volumen corriente. 2. Si un adulto normal tiene un volumen corriente de 500 mL y una frecuencia respiratoria de 14/min, ¿cuál será su ventilación pulmonar y su ventilación alveolar? Calcule el volumen corriente y la ventilación alveolar por minuto de un sujeto que respira a una frecuencia respiratoria de 12/min y tiene una ventilación minuto de 6 L. Ventilación pulmonar: Frecuencia respiratoria x volumen corriente VP= 0.5L x 14 min=7L/min. Ventilación alveolar: Frecuencia respiratoria x (volumen corriente – espacio muerto) VA= (0.5L-0.15) x 14 min=4,9 L/min 3. Describa todos los tipos celulares que se encuentran presentes en el alvéolo. ¿Cuál es la función de cada tipo celular? • Neumocitos tipo I: Encargado del intercambio gaseoso. Ocupan un 95% de la superficie del alvéolo gracias a sus prolongaciones citoplasmáticas. Son grandes y muy delgadas de manera tal que los gases pueden difundir rápidamente a través de ellas • Neumocitos tipo II: Secreta el líquido surfactante, (dipalmitilfosfatidil colina, DPPC) Reduce la tensión superficial alveolar, por lo tanto, aumenta la distensibilidad (contrarresta la presión colapsante). Causa Estabilización Alveolar (LaPlace), tiende a aumentar el diámetro alveolar. Ayuda a mantener los alvéolos secos, reduce la fuerza de filtración. Ayuda a prevenir el edema pulmonar. Favorece la expansión del pulmón al nacer. Macrófago alveolar en transición: Capturan y fagocitan partículas nocivas que puedan entrar y salen del alvéolo por vía linfática o por moco de las vías respiratorias (los fumadores pueden presentar muchos macrófagos). 4. ¿Qué le sucederá a múltiples burbujas (cada una de ellas con una interfase aire líquido) de diferentes tamaños que se encuentran interconectadas? Explique de acuerdo a la ley de Laplace. Lleve este ejemplo al sistema respiratorio (zona respiratoria). ¿Cómo se resuelve esta situación? Cada alvéolo está internamente cubierto de una película de agua, la cual se comporta como una burbuja que, por acción de la tensión superficial en la interfase líquido-aire, tiende a achicarse y colapsarse. Según la ley de laplace, la presión necesaria para impedir el colapso de una burbuja se describe con la siguiente ecuación: Presión = | 2TS | | r | De ella se desprende que si aumenta la tensión superficial (TS) se favorece el colapso, necesitándose mayor presión para impedirlo, mientras que si aumenta el radio (r), que tiene una relación inversa, disminuye la tendencia al colapso. Esto explica que, en alvéolos bien inflados, se necesite una pequeña presión para impedir el colapso; en cambio, en los alvéolos de radio reducido, como sucede normalmente en el recién nacido y en los alvéolos basales del adulto o en algunas condiciones patológicas (hipoventilación, edema alveolar), la presión positiva intraalveolar o negativa peri - alveolar necesaria para distender esos alvéolos y mantenerlos distendidos es considerablemente mayor. 5. En cada ciclo ventilatorio, el sistema respiratorio se encarga de optimizar los parámetros que favorecen la difusión. Explique de acuerdo a la ley de Fick. Una vez que la ventilación ha asegurado en el alvéolo una presión parcial de O2 superior a la de la sangre venosa que llega al capilar pulmonar y una presión parcial de CO2 inferior a la de la sangre venosa, se producen los gradientes necesarios para el correspondiente movimiento o difusión de moléculas gaseosas a través de la membrana alvéolo- capilar. Los principales factores que influyen en este fenómeno están definidos por la ley de fick. En esta ecuación, es el volumen de gas que difunde a través de la membrana por unidad de tiempo; A es el área disponible para la difusión; P es la diferencia de presiones parciales del gas a través de la membrana y d es el coeficiente de difusión, que está relacionado con la solubilidad del gas en el agua de la membrana y el peso molecular del gas. 6. Con respecto al O2 transportado por la Hemoglobina (Hb): a. Describa la estructura básica de la Hb, diga en qué componente sanguíneo se localiza, indique su lugar de síntesis y eliminación. La hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos. Esta posee estructura cuaternaria, es decir, está constituida por cuatro cadenas polipeptídicas. Su función en el transporte de oxigeno es contener en su interior grupos prostético que permite la unión de átomos de oxígeno, para su posterior transporte a través de la circulación sistémica permitiendo el intercambio gaseoso a nivel de los capilares. b. Explique a qué parte de la molécula de Hb se une el O2, cuáles son las características de esta unión y cómo se llama el compuesto que se forma. El 98% del contenido total de O2 de la sangre está unido de forma reversible con la hemoglobina en el interior de los hematies. La hemoglobina es una proteina globular que consta de cuatro subunidades que contienen una mitad hemo (que es una porfirina unida al hierro) y una cadena polipeptidica designada a o b. La hemoglobina adulta (hemoglobina A) se denomina a2b2; dos de las subunidades tienen cadenas a y dos tienen cadenas b. Cada subunidad se puede unir a una molecula de O2, hasta un total de 4 moleculas de O2 por molecula de hemoglobina. Cuando la hemoglobina esta oxigenada, se denomina oxihemoglobina y cuando esta desoxigenada, desoxihemoglobina. Para que las subunidades se unan al O2, el hierro en la mitad hemo debe estar en estado ferroso (es decir, Fe2+). c. Explique los conceptos de saturación de la Hb por el O2 y la P50 La saturación de la hemoglobina es el contenido de oxígeno de una muestra de sangre expresado como porcentaje de su capacidad. La saturación de la Hb depende de la PO2 según una curva de forma sigmoidea, que se obtiene midiendo el contenido de O2 de una solución de Hb cuando se expone a presiones crecientes de O2. Existe una formula empírica aproximada para calcular la saturación de la Hb si conocemos la PO2 y la P50 que es la PO2 para la que la saturación de la hemoglobina sea exactamente 50% S = 1/(1 + P50n PO2-n) con n=2.72 7. Defina Metahemoglobina. ¿Qué implicancias puede tener su aumento en la sangre? ¿Cómo se regula su formación en el glóbulo rojo? La metahemoglobina es una forma oxidada de la hemoglobina que tiene una mayor afinidad para el oxígeno lo que reduce la habilidad para liberarlo en los diferentes tejidos que la forma normal de la hemoglobina. Los niveles elevados de metahemoglobina en la sangre se producen cuando los mecanismos que defienden contra el estrés oxidativo dentro de los glóbulos rojos se desbordan y el ion ferroso (Fe 2+ ) del grupo hemo de la hemoglobina se oxida al estado férrico (Fe 3+ ). Esto convierte la hemoglobina en metahemoglobina que causa una disminución de la capacidad de liberar oxígeno a los tejidos y, por tanto, la hipoxia). Entonces cuando la concentración de metahemoglobina en los glóbulos rojos es elevada, puede surgir hipoxia tisular (se ve privado del suministro adecuado de oxígeno. La formación espontánea de metahemoglobina se reduce normalmente a través de la donación de electrones de los sistemas enzimáticos de protección como, por ejemplo, la metahemoglobina-reductasa NADH (citocromo b5 reductasa) que es la vía principal o, en menor medida, el ácido ascórbico y los sistemas de enzimas glutatión. Las interrupciones de estos sistemas enzimáticos pueden conducir a la enfermedad. 8. La cantidad de O2 unido a la Hb no sólo depende de la PO2, pues existen algunos factores que afectan la afinidad de la Hb por el O2, como: - pH - Temperatura - PCO2 - 2,3 DPG a. ¿Qué sucede con la curva de saturación de la Hb cuando aumentan y cuando disminuyen estos factores y por lo tanto qué pasa con el transporte de O2 y con la P50? Presión parcial de anhídrido carbónico en sangre (pCO2), el aumento de la concentración de CO2 disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y produce un desplazamiento de la curva hacia la derecha. pH, el incremento de la concentración de hidrogeniones o descenso del pH provoca un desplazamiento de la curva hacia la derecha. Este factor está ligado al anterior ya que el incremento de pCO2 por acción de la anhidrasa carbónica produce un aumento de H+ que son los que al fijarse a la hemoglobina disminuyen su afinidad. Este efecto se denomina "efecto Bohr". Temperatura corporal, el aumento de la temperatura provoca un desplazamiento de la curva hacia la derecha. 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), esta molécula es un metabolito intermediario de la glucólisis anaerobia del eritrocito, y su concentración aumentada desplaza la curva hacia la derecha, favoreciendo la liberación de oxígeno a los tejidos. Cualquier cambio en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, se traducirá en un desplazamiento de la curva hacia la izquierda o hacia la derecha. Un desplazamiento hacia la izquierda supone un aumento de la afinidad (o descenso de la P50) y un desplazamiento de la curva hacia la derecha supone una disminución de la afinidad (o aumento de la P50. b. Fisiológicamente ¿qué significa que la curva de disociación del O2 se desplace hacia la derecha? Cuando decimos que existe un desplazamiento a la derecha, significa que la afinidad de la Hb por el O2 ha disminuido y en consecuencia, la Hb cede más O2. La curva se desplaza hacia la derecha por disminución del pH, aumento de temperatura y aumento del 2-3DPG. 9. De acuerdo con la curva de disociación hemoglobina-oxígeno, ¿por qué la respuesta ventilatoria a la hipoxemia no es significativa sino hasta que la PaO2 disminuye bajo 60 mm Hg? Curva de la disociación de la hemoglobina a partir de una presión arterial de 60 mmHg la saturación de oxígeno disminuye notablemente, mientras que por encima de 60 la curva se aplana. Desplazamiento de la curva según diversas condiciones. Cuando la PaO2 baja de 60 mmHg la cantidad de O2 contenida por la sangre se reduce considerablemente, sin embargo, cuando la presión parcial está por encima de dicha cifra sólo se consigue pequeños incrementos del contenido de O2. Como medida de esta afinidad se utiliza la denominada P50 o cifra de PaO2 necesaria para saturar la hemoglobina en un 50%, es por esta razón que solo al bajar de esta medida se comienza a producir los síntomas y daños en el organismo por la falta de Oxígeno, por los cambios que se producen en este rango son fuertemente marcados, desde un 21%. 10. Si la proporción de oxígeno a nivel de mar y a 5500 msnm es de 21%, ¿por qué el ser humano experimenta “falta de aire” en la altitud? El ser humano al estar en lugares que se encuentran en altura, disminuye la cantidad de oxigeno inspirado, ya que baja la presión atmosférica del oxígeno y también su presión parcial, en esta situación se puede provocar una hipoxemia, que es la disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial, con lo que se desencadena la producción de eritropoyetina para aumentar la producción de glóbulos rojos. 11. Defina los siguientes términos: a) Eupnea : respiración normal, en reposo. b) Hiperpnea : incremento de la respiración a causa de la demanda, como durante y siguiendo ejercicios. c) Taquipnea : aceleración considerable del ritmo respiratorio provocando un aumento de la frecuencia respiratoria por encima de los valores normales (>20 inspiraciones por minuto d) Hipopnea : disminución del flujo aéreo de magnitud superior al 50% del flujo basal, mantenida más de 10 segundos durante la respiración. e) Bradipnea : descenso de la frecuencia respiratoria por debajo de los valores normales (12 inspiraciones por min). f) Apnea : es el cese completo de la señal respiratoria (medida por termistor, cánula nasal o neumotacógrafo) de al menos 10 segundos de duración, durante el sueño y se produce debido a que la respiración durante el sueño depende de los músculos que controlan la mandíbula, la lengua y el paladar y que mantienen abierta la vía respiratoria; cuando estos músculos se relajan, la mandíbula cae y la lengua retrocede, estrechando u obstruyendo la vía aérea y produciendo las dificultades respiratorias, que van desde los ronquidos hasta las apneas; en estos momentos, el cerebro se ve obligado a realizar lo que se denomina microdespertares, instantes en los que el sueño se interrumpe para que el cuerpo pueda recuperar el ritmo respiratorio; estas interrupciones impiden que el organismo descanse completamente, lo que provoca la aparición de un gran número de dolencias, como dolores de cabeza o cefaleas matutinas, hipertensión pulmonar al exigírsele un esfuerzo añadido a este órgano, hipertensión y problemas cardíacos como arritmias o cardiopatías isquémicas, temblores o espasmos musculares entre otras. g) Apneusis : inspiración profunda. h) Hipercapnia : es aumento de la presión parcial de dióxido de carbono (CO2), medida en sangre arterial, por encima de 46 mmHg (6,1 kPa). Produce una disminución del pH debido al aumento de la concentración plasmática de dióxido de carbono. El aumento de anhídrido carbónico (hipercapnia) estimula la respiración. i) Hipoxemia: disminución anormal de la presión parcial de oxígeno en sangre arterial, en la inspiración entra menos sangre. 12. Dibuje una curva normal de disociación O2 – hemoglobina, y superponga la curva de disociación O2 – hemoglobina en presencia de monóxido de carbono (CO). Explique. El monóxido de carbono compite con el oxígeno por los sitios de combinación con la hemoglobina; como su afinidad por la hemoglobina es 240 veces mayor que la del oxígeno esta competencia se define a su favor alterando su capacidad para el transporte de oxígeno. La combinación del monóxido de carbono con la hemoglobina produce la carboxihemoglobina modificando la conformación de la hemoglobina que se traduce en el desplazamiento de la posición de la curva de disociación de la oxihemoglobina hacia la izquierda comprometiendo su capacidad para entregar oxígeno a las células. En la porción casi vertical se realiza el intercambio de oxígeno tisular se realiza en esta porción y la Hb, al encontrar bajas presiones tisulares de O2, entrega grandes cantidades de oxígeno. La hemoglobina se satura, es decir, alcanza el 100% de su capacidad cuando la presión de oxigeno llega alrededor de 50mmHg. Cuando la hemoglobina se satura en un 50% con CO, formando carboxihemoglobina, se es suficiente para envenenar a un individuo, ya que aumenta la afinidad de la Hb por el CO impidiendo que se una O2 y además que no deje difundir al O2 que permanece en la Hb, provocando serias consecuencias. 13. Un sujeto padece intoxicación aguda por CO, la que ocasionó que su valor de carboxi-Hb fuera de 50%. Otro sujeto, a quién se le diagnosticó anemia, tiene 7.5 g/dL de Hb (normal 12-15 g/dL). En lo que respecta a la oxigenación, ¿cuál de ellos está en situación más grave? Si una persona tiene un 40-50% de monóxido de carbono en su sangre (carboxihemoglobina), se comienza a envenenar al individuo, puede producir cefaleas, confusión o desmayo por el ejercicio, para que sea fatal se necesita que el porcentaje ascienda al 80%. Según la OMS, el hecho de tener 7.5 g/dL de Hb en la sangre indica que es una anemia de grado 3, es decir, grave. Las consecuencias que esta puede traer son: taquicardia, falta de aire al respirar (disnea), al realizar los esfuerzos mínimos. Este tipo de anemia se puede causar por un cáncer u otra enfermedad que haya ocasionado infecciones, se puede curar administrando Hb o haciendo transfusiones de sangre. Es casi imposible morir por anemia. Es por esto que en mi opinión la situación más grave es la intoxicación con CO, ya que si aumentara a un 60% puede provocar inconsciencia, convulsiones intermitentes, insuficiencia respiratoria, muerte sí la exposición es prolongada. 14. ¿De qué manera se transporta el CO2 en la sangre? Grafique y explique la curva de saturación del CO2. CO2 e iones bicarbonato: alrededor del 70% del CO2 que llega a la sangre es transportado a los pulmones en forma de iones bicarbonato disueltos en el plasma. El CO2 disuelto en el plasma difunde dentro de los eritrocitos donde reacciona con agua en presencia de anhidrasa carbónica (enzima presente en los eritrocitos) formando ácido carbónico, este luego se disocia en un ion hidrogeno y un ion bicarbonato, una vez formado el ion bicarbonato se difunde hacia el plasma por una proteína cotransportadora que intercambio un ion cloruro por un ion bicarbonato; y los H+ libres algunos se unen a la hemoglobina y otros se acumulan en el plasma. Disuelto en el plasma: Solo el 7% del CO2 transportado por la sangre venosa lo hace disuelto en ella. Hemoglobina y CO2: el 23% del CO2 de la sangre venosa se une directamente a la hemoglobina. Cuando el oxígeno abandona sus sitios de unión en la molécula de hemoglobina, el CO2 se une a la hemoglobina a través de sus grupos amino expuestos, formando 15. Aplicación de conceptos: a. ¿Qué tipo de respiración adoptaría un paciente con una resistencia normal de las vías aéreas pero pulmones muy rígidos (poco distensibles) para reducir su trabajo respiratorio? Debido a la poca distensibilidad que tienen los pulmones, lo ideal es tener un respiración corta en tiempo, ya que de esta manera no se forzara a los pulmones a tener un mayor grado de distensibilidad y así se disminuye el trabajo respiratorio. b. ¿Qué sucedería con la difusión de los gases respiratorios, entre el aire alveolar y la sangre de los capilares pulmonares, si un paciente sufre edema intersticial. Plantee una hipótesis respecto de cómo afecta esto a las posibilidades de realizar ejercicio físico. La barrera de líquido que se forma dificultad el intercambio gaseoso, esto se ve reflejado primeramente en un hipoxemia moderada por la disminuida capacidad de difusión de oxígeno, alteración de la ventilación/perfusión y pequeños shunt y en una fase tardía, con hipoxemia moderada, se produce hipercapnia, acidosis respiratoria y depresión del centro respiratorio. Por lo que se puede decir que al aumentar la actividad física, se eleva el gasto respiratorio, el cual no se puede realizar de manera normal, produciendo fatiga, cansancio temprano y falta de oxígeno. c. Si la ventilación alveolar se duplica y la producción de CO2 se mantiene constante, ¿qué sucede con la PCO2 arterial? Existe una relación inversa entre la ventilación alveolar (VA) y la presión de CO2 en el alveolo (PACO2) VA = VCO2x K PACO2 = VCO2 x K PACO2 VA VCO2: Tasa de producción de CO2(ml /min) K: Constante (863 mmHg) Si la tasa de producción de CO2 es constante la PACO2 será determinada por la ventilación alveolar. Al incrementarse la ventilación alveolar disminuye la PACO2 y viceversa (relación inversa) Para mantener la PACO2 cte., si se duplica la VCO2, también se duplica la VA d. El tío de Juan le dice a su sobrino que él puede permanecer todo el tiempo que lo desee 3 metros bajo tierra, pues simplemente respiraría por un tubo de 10 cm de radio, conectado desde su boca hasta la superficie. Determine el volumen del cilindro (Vcil = * r2 * h; =3.14; r, radio del cilindro; h, altura del cilindro; 1 L = 1000 cc = 1000 cm3). ¿A qué volumen pulmonar lo adicionaría? Si el tío de Juan respirara a VT (500 mL) o a VC (5 L) y, en ambos casos con una fR 15 min-1; calcule la ventilación alveolar en cada caso (recuerde que el volumen del espacio muerto anatómico, VD es 150 mL). Con estos antecedentes, indique si el tío de Juan está en lo correcto. Fundamente su respuesta. 16. La siguiente figura muestra la relación ventilación-perfusión (V/Q) en un pulmón de adulto en posición vertical (bipedestación). a. Cuantitativamente ¿la relación V/Q es similar en la base y el vértice pulmonar? b. ¿Cómo será la PAO2 en la zona del vértice pulmonar (zona independiente) comparada con la PAO2 en la zona de la base pulmonar (zona dependiente)? ¿Y la PACO2? En sujetos normales en posición vertical la presión dentro de los vasos sanguíneos es mayor en las bases que en los vértices debido al peso de la columna de sangre por lo que el flujo sanguíneo pulmonar disminuye progresivamente desde las bases hacia los vértices, donde casi no hay perfusión. En posición vertical la ventilación alveolar también disminuye desde la base hacia el vértice, pero la magnitud del cambio es mucho menor que el de la perfusión. Esto se debe a que el peso del pulmón gravita sobre las bases .determinando que la presión pleural en éstas sea menos negativa que en los vértices. En consecuencia al comienzo de una inspiración normal la presión transpulmonar en el vértice es alrededor de 10 cmH2O y en la base sólo de 2,5 cm H2O. Esto significa que los alvéolos de la base están menos distendidos que los del vértice por lo cual pueden expandir más y captar más del aire que se inspira. Por otra parte, como la curva de presión-volumen no es lineal y tiende a la horizontalidad en su porción superior, los alvéolos del vértice, por tener un mayor volumen inicial, están en un nivel de menor distensibilidad que los de la base y expandirán menos ante un mismo cambio de presión transpulmonar. En las áreas ventiladas, pero mal perfundidas, se produce una bronco constricción debido a la caída de PACO2 o hipocapnia alveolar. El consiguiente aumento de la resistencia al flujo aéreo dirige el aire inspirado hacia zonas mejor perfundidas. Por otra parte, la disminución de PaO2 en áreas mal ventiladas provoca vasoconstricción local y: el aumento de resistencia vascular resultante redistribuye la sangre hacia las zonas bien ventiladas.