39.2: Intercambio de gases a través de las superficies respiratorias
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- Nombrar y describir volúmenes y capacidades pulmonares
- Entender cómo la presión del gas influye en cómo los gases entran y salen del cuerpo
La estructura del pulmón maximiza su superficie para aumentar la difusión de gas. Debido a la enorme cantidad de alvéolos (aproximadamente 300 millones en cada pulmón humano), la superficie del pulmón es muy grande (75 m 2). Tener una superficie tan grande aumenta la cantidad de gas que puede difundirse dentro y fuera de los pulmones.
Principios Básicos del Intercambio de Gases
El intercambio de gases durante la respiración ocurre principalmente a través de la difusión. La difusión es un proceso en el que el transporte es impulsado por un gradiente de concentración. Las moléculas de gas se mueven de una región de alta concentración a una región de baja concentración. La sangre que es baja en concentración de oxígeno y alta en concentración de dióxido de carbono experimenta intercambio de gases con el aire en los pulmones. El aire en los pulmones tiene una mayor concentración de oxígeno que la de la sangre empobrecida en oxígeno y una menor concentración de dióxido de carbono. Este gradiente de concentración permite el intercambio de gases durante la respiración.
La presión parcial es una medida de la concentración de los componentes individuales en una mezcla de gases. La presión total ejercida por la mezcla es la suma de las presiones parciales de los componentes en la mezcla. La velocidad de difusión de un gas es proporcional a su presión parcial dentro de la mezcla total de gases. Este concepto se discute con más detalle a continuación.
Volúmenes y capacidades pulmonares
Diferentes animales tienen diferentes capacidades pulmonares en función de sus actividades. Los guepardos han evolucionado una capacidad pulmonar mucho mayor que los humanos; ayuda a proporcionar oxígeno a todos los músculos del cuerpo y les permite correr muy rápido. Los elefantes también tienen una alta capacidad pulmonar. En este caso, no es porque corran rápido sino porque tienen un cuerpo grande y deben poder tomar oxígeno de acuerdo con su tamaño corporal.
El tamaño del pulmón humano está determinado por la genética, el género y la altura. A la capacidad máxima, un pulmón promedio puede contener casi seis litros de aire, pero los pulmones no suelen operar a la máxima capacidad. El aire en los pulmones se mide en términos de volúmenes pulmonares y capacidades pulmonares (Figura\(\PageIndex{1}\) y Tabla\(\PageIndex{1}\)). El volumen mide la cantidad de aire para una función (como inhalación o exhalación). La capacidad es cualquiera de dos o más volúmenes (por ejemplo, cuánto se puede inhalar desde el final de una exhalación máxima).
| Volumen/Capacidad | Definición | Volumen (litros) | Ecuaciones |
|---|---|---|---|
| Volumen mareante (TV) | Cantidad de aire inhalado durante una respiración normal | 0.5 | - |
| Volumen de reserva espiratoria (ERV) | Cantidad de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal | 1.2 | - |
| Volumen inspiratorio de reserva (IRV) | Cantidad de aire que se puede inhalar más después de una inhalación normal | 3.1 | - |
| Volumen residual (RV) | Aire que queda en los pulmones después de una exhalación forzada | 1.2 | - |
| Capacidad vital (VC) | Cantidad máxima de aire que se puede mover dentro o fuera de los pulmones en un solo ciclo respiratorio | 4.8 | ERV+TV+IRV |
| Capacidad inspiratoria (IC) | Volumen de aire que se puede inhalar además de una exhalación normal | 3.6 | TV+IRV |
| Capacidad residual funcional (FRC) | Volumen de aire restante después de una exhalación normal | 2.4 | ERV+RV |
| Capacidad pulmonar total (TLC) | Volumen total de aire en los pulmones después de una inspiración máxima | 6.0 | RV+ERV+TV+IRV |
| Volumen espiratorio forzado (FEV1) | Cuánto aire se puede expulsar de los pulmones durante un período de tiempo específico, generalmente un segundo | ~4.1 a 5.5 | - |
El volumen en el pulmón se puede dividir en cuatro unidades: volumen mareal, volumen de reserva espiratorio, volumen de reserva inspiratorio y volumen residual. El volumen de marea (TV) mide la cantidad de aire que se inspira y caducó durante una respiración normal. En promedio, este volumen es de alrededor de medio litro, que es un poco menor que la capacidad de una botella de bebida de 20 onzas. El volumen de reserva espiratorio (ERV) es la cantidad adicional de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal. Es la cantidad de reserva que se puede exhalar más allá de lo normal. Por el contrario, el volumen de reserva inspiratorio (IRV) es la cantidad adicional de aire que se puede inhalar después de una inhalación normal. El volumen residual (RV) es la cantidad de aire que queda después de exhalar el volumen de reserva espiratorio. Los pulmones nunca están completamente vacíos: Siempre queda algo de aire en los pulmones después de una exhalación máxima. Si este volumen residual no existiera y los pulmones se vaciaran completamente, los tejidos pulmonares se pegarían entre sí y la energía necesaria para volver a inflar el pulmón podría ser demasiado grande para superarlo. Por lo tanto, siempre queda algo de aire en los pulmones. El volumen residual también es importante para prevenir grandes fluctuaciones en los gases respiratorios (O 2 y CO 2). El volumen residual es el único volumen pulmonar que no se puede medir directamente porque es imposible vaciar completamente el pulmón de aire. Este volumen sólo puede calcularse en lugar de medirse.
Las capacidades son medidas de dos o más volúmenes. La capacidad vital (VC) mide la cantidad máxima de aire que se puede inhalar o exhalar durante un ciclo respiratorio. Es la suma del volumen de reserva espiratoria, el volumen de marea y el volumen de reserva inspiratoria. La capacidad inspiratoria (CI) es la cantidad de aire que se puede inhalar después del final de una espiración normal. Se trata, por tanto, de la suma del volumen mareario y del volumen de reserva inspiratorio. La capacidad residual funcional (FRC) incluye el volumen de reserva espiratoria y el volumen residual. El FRC mide la cantidad de aire adicional que se puede exhalar después de una exhalación normal. Por último, la capacidad pulmonar total (TLC) es una medida de la cantidad total de aire que puede contener el pulmón. Es la suma del volumen residual, el volumen de reserva espiratoria, el volumen mareomotriz y el volumen de reserva inspiratoria.
Los volúmenes pulmonares se miden mediante una técnica llamada espirometría. Una medida importante que se toma durante la espirometría es el volumen espiratorio forzado (FEV), que mide la cantidad de aire que se puede expulsar del pulmón durante un periodo específico, generalmente un segundo (FEV1). Además, se mide la capacidad vital forzada (FVC), que es la cantidad total de aire que se puede exhalar a la fuerza. La relación de estos valores (relación FEV1/FVC) se utiliza para diagnosticar enfermedades pulmonares incluyendo asma, enfisema y fibrosis. Si la relación FEV1/FVC es alta, los pulmones no son conformes (es decir, están rígidos e incapaces de doblarse adecuadamente), y el paciente es muy probable que tenga fibrosis pulmonar. Los pacientes exhalan la mayor parte del volumen pulmonar muy rápidamente. Por el contrario, cuando la relación FEV1/FVC es baja, hay resistencia en el pulmón que es característica del asma. En esta instancia, es difícil para el paciente sacar el aire de sus pulmones, y lleva mucho tiempo alcanzar el volumen máximo de exhalación. En cualquier caso, la respiración es difícil y surgen complicaciones.
Conexión a la Carrera: Terapeuta
Los terapeutas respiratorios o médicos respiratorios evalúan y tratan a pacientes con enfermedades pulmonares y cardiovasculares. Trabajan como parte de un equipo médico para desarrollar planes de tratamiento para pacientes. Los terapeutas respiratorios pueden tratar a bebés prematuros con pulmones subdesarrollados, pacientes con afecciones crónicas como asma, o pacientes mayores que padecen enfermedades pulmonares como enfisema y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Pueden operar equipos avanzados como sistemas de suministro de gas comprimido, ventiladores, analizadores de gases sanguíneos y resucitadores. Los programas especializados para convertirse en terapeuta respiratorio generalmente conducen a una licenciatura con una especialidad de terapeuta respiratorio. Debido al creciente envejecimiento de la población, se espera que las oportunidades de carrera como terapeuta respiratorio sigan siendo fuertes.
Presión de gas y respiración
El proceso respiratorio se puede entender mejor examinando las propiedades de los gases. Los gases se mueven libremente, pero las partículas de gas golpean constantemente las paredes de su recipiente, produciendo así presión de gas.
El aire es una mezcla de gases, principalmente nitrógeno (N 2; 78.6 por ciento), oxígeno (O 2; 20.9 por ciento), vapor de agua (H 2 O; 0.5 por ciento) y dióxido de carbono (CO 2; 0.04 por ciento). Cada componente gaseoso de esa mezcla ejerce una presión. La presión para un gas individual en la mezcla es la presión parcial de ese gas. Aproximadamente el 21 por ciento del gas atmosférico es oxígeno. El dióxido de carbono, sin embargo, se encuentra en cantidades relativamente pequeñas, 0.04 por ciento. La presión parcial para el oxígeno es mucho mayor que la del dióxido de carbono. La presión parcial de cualquier gas puede calcularse mediante:
P atm, la presión atmosférica, es la suma de todas las presiones parciales de los gases atmosféricos sumados,
× (porcentaje de contenido en mezcla).
La presión de la atmósfera al nivel del mar es de 760 mm Hg. Por lo tanto, la presión parcial del oxígeno es:
y para el dióxido de carbono:
A altas altitudes, P atm disminuye pero la concentración no cambia; la disminución parcial de la presión se debe a la reducción de P atm.
Cuando la mezcla de aire llega al pulmón, se ha humidificado. La presión del vapor de agua en el pulmón no cambia la presión del aire, sino que debe incluirse en la ecuación de presión parcial. Para este cálculo, la presión del agua (47 mm Hg) se resta de la presión atmosférica:
y la presión parcial del oxígeno es:
Estas presiones determinan el intercambio de gases, o el flujo de gas, en el sistema. El oxígeno y el dióxido de carbono fluirán de acuerdo a su gradiente de presión de alto a bajo. Por lo tanto, comprender la presión parcial de cada gas ayudará a comprender cómo se mueven los gases en el sistema respiratorio.
Intercambio de gases a través de los alvéolos
En el cuerpo, el oxígeno es utilizado por las células de los tejidos del cuerpo y el dióxido de carbono se produce como producto de desecho. La relación entre la producción de dióxido de carbono y el consumo de oxígeno es el cociente respiratorio (RQ). El RQ varía entre 0.7 y 1.0. Si solo se usara glucosa para alimentar el cuerpo, el RQ equivaldría a uno. Se produciría un mol de dióxido de carbono por cada mol de oxígeno consumido. La glucosa, sin embargo, no es el único combustible para el cuerpo. La proteína y la grasa también se utilizan como combustibles para el organismo. Debido a esto, se produce menos dióxido de carbono que el oxígeno que se consume y el RQ es, en promedio, de aproximadamente 0.7 para la grasa y aproximadamente 0.8 para la proteína.
El RQ se utiliza para calcular la presión parcial de oxígeno en los espacios alveolares dentro del pulmón, el alveolar\(\text{P}_{\text{O}_2}\). Arriba, se calculó que la presión parcial de oxígeno en los pulmones era de 150 mm Hg. Sin embargo, los pulmones nunca se desinflan completamente con una exhalación; por lo tanto, el aire inspirado se mezcla con este aire residual y disminuye la presión parcial de oxígeno dentro de los alvéolos. Esto significa que hay una menor concentración de oxígeno en los pulmones que la que se encuentra en el aire fuera del cuerpo. Conociendo el RQ, se puede calcular la presión parcial de oxígeno en los alvéolos:
Con un RQ de 0.8 y a\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) en los alvéolos de 40 mm Hg, el alveolar\(\text{P}_{\text{O}_2}\) es igual a:
Observe que esta presión es menor que el aire externo. Por lo tanto, el oxígeno fluirá desde el aire inspirado en el pulmón (\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 150 mm Hg) hacia el torrente sanguíneo (\(\text{P}_{\text{O}_2}\)= 100 mm Hg) (Figura\(\PageIndex{2}\)).
En los pulmones, el oxígeno se difunde fuera de los alvéolos hacia los capilares que rodean los alvéolos. El oxígeno (aproximadamente el 98 por ciento) se une reversiblemente a la hemoglobina pigmentaria respiratoria que se encuentra en los glóbulos rojos (RBC). Los glóbulos rojos transportan oxígeno a los tejidos donde el oxígeno se disocia de la hemoglobina y se difunde hacia las células de los tejidos. Más específicamente, alveolar\(\text{P}_{\text{O}_2}\) es mayor en los alvéolos\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\) = 100 mm Hg) que en la sangre\(\text{P}_{\text{O}_2}\) (40 mm Hg) en los capilares. Debido a que existe este gradiente de presión, el oxígeno se difunde por su gradiente de presión, saliendo de los alvéolos y entrando en la sangre de los capilares donde O 2 se une a la hemoglobina. Al mismo tiempo, alveolar\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) es menor\(\text{P}_{\text{ALVO}_2}\) = 40 mm Hg que la sangre\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = (45 mm Hg). El CO 2 se difunde por su gradiente de presión, saliendo de los capilares y entrando en los alvéolos.
El oxígeno y el dióxido de carbono se mueven independientemente entre sí; se difunden por sus propios gradientes de presión. A medida que la sangre sale de los pulmones a través de las venas pulmonares, la venosa\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 100 mm Hg, mientras que la venosa\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 mm Hg. A medida que la sangre ingresa a los capilares sistémicos, la sangre perderá oxígeno y ganará dióxido de carbono debido a la diferencia de presión de los tejidos y la sangre. En capilares sistémicos,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 100 mm Hg, pero en las células tisulares,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 40 mm Hg. Este gradiente de presión impulsa la difusión de oxígeno fuera de los capilares y hacia las células del tejido. Al mismo tiempo, sangre\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 40 mm Hg y tejido sistémico\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 mm Hg. El gradiente de presión impulsa el CO 2 fuera de las células tisulares y entra en los capilares. La sangre que regresa a los pulmones a través de las arterias pulmonares tiene una venosa\(\text{P}_{\text{O}_2}\) = 40 mm Hg y a\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) = 45 mm Hg. La sangre ingresa a los capilares pulmonares donde comienza de nuevo el proceso de intercambio de gases entre los capilares y los alvéolos (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Conexión de arte
¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
- En los tejidos,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) cae a medida que la sangre pasa de las arterias a las venas, mientras que\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) aumenta.
- La sangre viaja de los pulmones al corazón a los tejidos del cuerpo, luego de regreso al corazón, luego a los pulmones.
- La sangre viaja de los pulmones al corazón a los tejidos del cuerpo, luego de regreso a los pulmones, luego al corazón.
- \(\text{P}_{\text{O}_2}\)es mayor en el aire que en los pulmones.
En resumen, el cambio en la presión parcial de los alvéolos a los capilares impulsa el oxígeno hacia los tejidos y el dióxido de carbono a la sangre desde los tejidos. Luego, la sangre es transportada a los pulmones donde las diferencias de presión en los alvéolos dan como resultado el movimiento del dióxido de carbono de la sangre hacia los pulmones, y el oxígeno hacia la sangre.
Enlace al aprendizaje
Mira este video para aprender a llevar a cabo la espirometría.
Resumen
Los pulmones pueden contener un gran volumen de aire, pero no suelen estar llenos hasta la máxima capacidad. Las mediciones del volumen pulmonar incluyen el volumen de marea, el volumen de reserva espiratorio, el volumen de reserva inspiratorio y el volumen residual. La suma de estos equivale a la capacidad pulmonar total. El movimiento de gas dentro o fuera de los pulmones depende de la presión del gas. El aire es una mezcla de gases; por lo tanto, se puede calcular la presión parcial de cada gas para determinar cómo fluirá el gas en el pulmón. La diferencia entre la presión parcial del gas en el aire impulsa el oxígeno hacia los tejidos y el dióxido de carbono fuera del cuerpo.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
- En los tejidos,\(\text{P}_{\text{O}_2}\) cae a medida que la sangre pasa de las arterias a las venas, mientras que\(\text{P}_{\text{CO}_2}\) aumenta.
- La sangre viaja de los pulmones al corazón a los tejidos del cuerpo, luego de regreso al corazón, luego a los pulmones.
- La sangre viaja de los pulmones al corazón a los tejidos del cuerpo, luego de regreso a los pulmones, luego al corazón.
- \(\text{P}_{\text{O}_2}\)es mayor en el aire que en los pulmones.
- Contestar
-
C
Glosario
- alveolar\(\text{P}_{\text{O}_2}\)
- presión parcial de oxígeno en los alvéolos (generalmente alrededor de 100 mmHg)
- volumen de reserva espiratoria (ERV)
- cantidad de aire adicional que se puede exhalar después de una exhalación normal
- Relación FEV1/FVC
- relación de la cantidad de aire que se puede forzar a salir del pulmón en un segundo con respecto a la cantidad total que se fuerza fuera del pulmón; una medición de la función pulmonar que se puede utilizar para detectar estados de enfermedad
- volumen espiratorio forzado (FEV)
- (también, capacidad vital forzada) medida de la cantidad de aire que se puede expulsar del pulmón a partir de la inspiración máxima durante un período de tiempo específico
- capacidad residual funcional (FRC)
- volumen de reserva espiratoria más volumen residual
- capacidad inspiratoria (IC)
- volumen mareal más volumen de reserva inspiratorio
- volumen de reserva inspiratorio (IRV)
- cantidad de aire adicional que se puede inspirar después de una inhalación normal
- capacidad pulmonar
- medición de dos o más volúmenes pulmonares (cuánto aire se puede inhalar desde el final de una espiración hasta la capacidad máxima)
- volumen pulmonar
- medición del aire para una función pulmonar (inhalación o exhalación normal)
- presión parcial
- cantidad de presión ejercida por un gas dentro de una mezcla de gases
- volumen residual (RV)
- cantidad de aire restante en el pulmón después de una espiración máxima
- cociente respiratorio (RQ)
- relación de producción de dióxido de carbono a cada molécula de oxígeno consumida
- espirometría
- método para medir volúmenes pulmonares y diagnosticar enfermedades pulmonares
- volumen mareomotriz (TV)
- cantidad de aire que se inspira y expiró durante la respiración normal
- capacidad pulmonar total (TLC)
- suma del volumen residual, volumen de reserva espiratoria, volumen mareal y volumen de reserva inspiratoria
- venoso\(\text{P}_{\text{CO}_2}\)
- presión parcial de dióxido de carbono en las venas (40 mm Hg en las venas pulmonares)
- venoso\(\text{P}_{\text{O}_2}\)
- presión parcial de oxígeno en las venas (100 mm Hg en las venas pulmonares)
- capacidad vital (VC)
- suma del volumen de reserva espiratoria, volumen mareal y volumen de reserva inspiratoria