22.4: Intercambio de Gases
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Objetivos de aprendizaje
- Comparar la composición del aire atmosférico y el aire alveolar
- Describir los mecanismos que impulsan el intercambio de gases
- Discutir la importancia de una ventilación y perfusión suficientes, y cómo se adapta el cuerpo cuando son insuficientes
- Discutir el proceso de respiración externa
- Describir el proceso de respiración interna
El propósito del sistema respiratorio es realizar el intercambio de gases. La ventilación pulmonar proporciona aire a los alvéolos para este proceso de intercambio de gases. En la membrana respiratoria, donde se encuentran las paredes alveolar y capilar, los gases se mueven a través de las membranas, con oxígeno entrando al torrente sanguíneo y saliendo dióxido de carbono. Es a través de este mecanismo que la sangre se oxigena y el dióxido de carbono, el producto de desecho de la respiración celular, se elimina del cuerpo.
Intercambio de Gas
Para comprender los mecanismos de intercambio de gases en el pulmón, es importante comprender los principios subyacentes de los gases y su comportamiento. Además de la ley de Boyle, varias otras leyes de gas ayudan a describir el comportamiento de los gases.
Leyes de gas y composición del aire
Las moléculas de gas ejercen fuerza sobre las superficies con las que están en contacto; esta fuerza se llama presión. En los sistemas naturales, los gases normalmente están presentes como una mezcla de diferentes tipos de moléculas. Por ejemplo, la atmósfera consiste en oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y otras moléculas gaseosas, y esta mezcla gaseosa ejerce una cierta presión denominada presión atmosférica (Cuadro\(\PageIndex{1}\)). La presión parcial (P x) es la presión de un solo tipo de gas en una mezcla de gases. Por ejemplo, en la atmósfera, el oxígeno ejerce una presión parcial, y el nitrógeno ejerce otra presión parcial, independiente de la presión parcial del oxígeno (Figura\(\PageIndex{1}\)).
La presión total es la suma de todas las presiones parciales de una mezcla gaseosa. La ley de Dalton describe el comportamiento de los gases no reactivos en una mezcla gaseosa y establece que un tipo de gas específico en una mezcla ejerce su propia presión; así, la presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los gases en la mezcla.
| Gas | Porcentaje de composición total | Presión parcial (mm Hg) |
|---|---|---|
| Nitrógeno (N 2) | 78.6 | 597.4 |
| Oxígeno (O 2) | 20.9 | 158.8 |
| Agua (H 2 O) | 0.04 | 3.0 |
| Dióxido de carbono (CO 2) | 0.004 | 0.3 |
| Otros | 0.0006 | 0.5 |
| Composición total/presión atmosférica total | 100% | 760.0 |
La presión parcial es extremadamente importante para predecir el movimiento de los gases. Recordemos que los gases tienden a igualar su presión en dos regiones que están conectadas. Un gas se moverá de un área donde su presión parcial es mayor a un área donde su presión parcial es menor. Además, cuanto mayor es la diferencia de presión parcial entre las dos áreas, más rápido es el movimiento de los gases.
Solubilidad de Gases en Líquidos
La ley de Henry describe el comportamiento de los gases cuando entran en contacto con un líquido, como la sangre. La ley de Henry establece que la concentración de gas en un líquido es directamente proporcional a la solubilidad y presión parcial de ese gas. Cuanto mayor sea la presión parcial del gas, mayor será el número de moléculas de gas que se disolverán en el líquido. La concentración del gas en un líquido también depende de la solubilidad del gas en el líquido. Por ejemplo, aunque el nitrógeno está presente en la atmósfera, muy poco nitrógeno se disuelve en la sangre, debido a que la solubilidad del nitrógeno en la sangre es muy baja. La excepción a esto ocurre en los buceadores; la composición del aire comprimido que respiran los buzos hace que el nitrógeno tenga una presión parcial mayor de lo normal, provocando que se disuelva en la sangre en mayores cantidades de lo normal. Demasiado nitrógeno en el torrente sanguíneo resulta en un padecimiento grave que puede ser fatal si no se corrige. Las moléculas de gas establecen un equilibrio entre las moléculas disueltas en líquido y las que están en el aire.
La composición del aire en la atmósfera y en los alvéolos difiere. En ambos casos, la concentración relativa de gases es nitrógeno > oxígeno > vapor de agua > dióxido de carbono. La cantidad de vapor de agua presente en el aire alveolar es mayor que la del aire atmosférico (Cuadro\(\PageIndex{1}\)). Recordemos que el sistema respiratorio trabaja para humidificar el aire entrante, provocando con ello que el aire presente en los alvéolos tenga una mayor cantidad de vapor de agua que el aire atmosférico. Además, el aire alveolar contiene una mayor cantidad de dióxido de carbono y menos oxígeno que el aire atmosférico. Esto no es ninguna sorpresa, ya que el intercambio de gases elimina el oxígeno y agrega dióxido de carbono al aire alveolar. Tanto la respiración profunda como la forzada hacen que la composición del aire alveolar cambie más rápidamente que durante la respiración tranquila. Como resultado, las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono cambian, afectando el proceso de difusión que mueve estos materiales a través de la membrana. Esto hará que entre oxígeno y que el dióxido de carbono salga de la sangre más rápidamente.
| Gas | Porcentaje de composición total | Presión parcial (mm Hg) |
|---|---|---|
| Nitrógeno (N 2) | 74.9 | 569 |
| Oxígeno (O 2) | 13.7 | 104 |
| Agua (H 2 O) | 6.2 | 40 |
| Dióxido de carbono (CO 2) | 5.2 | 47 |
| Composición total/presión alveolar total | 100% | 760.0 |
Ventilación y Perfusión
Dos aspectos importantes del intercambio de gases en el pulmón son la ventilación y la perfusión. La ventilación es el movimiento del aire dentro y fuera de los pulmones, y la perfusión es el flujo de sangre en los capilares pulmonares. Para que el intercambio de gases sea eficiente, los volúmenes involucrados en la ventilación y la perfusión deben ser compatibles. Sin embargo, factores como los efectos de la gravedad regional en la sangre, los conductos alveolares bloqueados o la enfermedad pueden causar desequilibrios de ventilación y perfusión.
La presión parcial de oxígeno en el aire alveolar es de aproximadamente 104 mm Hg, mientras que la presión parcial de la sangre venosa pulmonar oxigenada es de aproximadamente 100 mm Hg. Cuando la ventilación es suficiente, el oxígeno ingresa a los alvéolos a una velocidad alta, y la presión parcial de oxígeno en los alvéolos permanece alta. En contraste, cuando la ventilación es insuficiente, disminuye la presión parcial de oxígeno en los alvéolos. Sin la gran diferencia de presión parcial entre los alvéolos y la sangre, el oxígeno no se difunde eficientemente a través de la membrana respiratoria. El organismo cuenta con mecanismos que contrarrestan este problema. En los casos en que la ventilación no es suficiente para un alvéolo, el cuerpo redirige el flujo sanguíneo a alvéolos que están recibiendo suficiente ventilación. Esto se logra mediante la constricción de las arteriolas pulmonares que sirven al alvéolo disfuncional, que redirige la sangre a otros alvéolos que tienen suficiente ventilación. Al mismo tiempo, las arteriolas pulmonares que sirven alvéolos reciben suficiente ventilación vasodilatan, lo que trae mayor flujo sanguíneo. Factores como dióxido de carbono, oxígeno y niveles de pH pueden servir como estímulos para ajustar el flujo sanguíneo en las redes capilares asociadas con los alvéolos.
La ventilación está regulada por el diámetro de las vías respiratorias, mientras que la perfusión está regulada por el diámetro de los vasos sanguíneos. El diámetro de los bronquiolos es sensible a la presión parcial del dióxido de carbono en los alvéolos. Una mayor presión parcial de dióxido de carbono en los alvéolos hace que los bronquiolos aumenten su diámetro al igual que lo hará una disminución del nivel de oxígeno en el suministro sanguíneo, permitiendo que el dióxido de carbono sea exhalado del cuerpo a una mayor velocidad. Como se mencionó anteriormente, una mayor presión parcial de oxígeno en los alvéolos hace que las arteriolas pulmonares se dilaten, aumentando el flujo sanguíneo.
Intercambio de Gas
El intercambio de gases ocurre en dos sitios del cuerpo: en los pulmones, donde se recoge oxígeno y se libera dióxido de carbono en la membrana respiratoria, y en los tejidos, donde se libera oxígeno y se recoge dióxido de carbono. La respiración externa es el intercambio de gases con el ambiente externo, y ocurre en los alvéolos de los pulmones. La respiración interna es el intercambio de gases con el ambiente interno, y ocurre en los tejidos. El intercambio real de gases ocurre debido a la simple difusión. No se requiere energía para mover oxígeno o dióxido de carbono a través de las membranas. En cambio, estos gases siguen gradientes de presión que les permiten difundirse. La anatomía del pulmón maximiza la difusión de gases: La membrana respiratoria es altamente permeable a los gases; las membranas respiratorias y capilares sanguíneas son muy delgadas; y existe una gran superficie a lo largo de los pulmones.
Respiración Externa
La arteria pulmonar transporta sangre desoxigenada hacia los pulmones desde el corazón, donde se ramifica y eventualmente se convierte en la red capilar compuesta por capilares pulmonares. Estos capilares pulmonares crean la membrana respiratoria con los alvéolos (Figura\(\PageIndex{2}\)). A medida que la sangre se bombea a través de esta red capilar se produce el intercambio de gases Si bien una pequeña cantidad del oxígeno es capaz de disolverse directamente en plasma desde los alvéolos, la mayor parte del oxígeno es captado por los eritrocitos (glóbulos rojos) y se une a una proteína llamada hemoglobina, proceso que se describe más adelante en este capítulo. La hemoglobina oxigenada es de color rojo, provocando la aparición general de sangre oxigenada de color rojo brillante, que regresa al corazón a través de las venas pulmonares. El dióxido de carbono se libera en la dirección opuesta al oxígeno, desde la sangre hasta los alvéolos. Parte del dióxido de carbono se devuelve en la hemoglobina, pero también se puede disolver en plasma o está presente como una forma convertida, también se explica con mayor detalle más adelante en este capítulo.
La respiración externa ocurre en función de las diferencias de presión parcial en oxígeno y dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre en los capilares pulmonares.
Aunque la solubilidad del oxígeno en sangre no es alta, existe una diferencia drástica en la presión parcial de oxígeno en los alvéolos versus en la sangre de los capilares pulmonares. Esta diferencia es de aproximadamente 64 mm Hg: La presión parcial de oxígeno en los alvéolos es de aproximadamente 104 mm Hg, mientras que su presión parcial en la sangre del capilar es de aproximadamente 40 mm Hg. Esta gran diferencia en la presión parcial crea un gradiente de presión muy fuerte que hace que el oxígeno atraviese rápidamente la membrana respiratoria desde los alvéolos hacia la sangre.
La presión parcial del dióxido de carbono también es diferente entre el aire alveolar y la sangre del capilar. Sin embargo, la diferencia de presión parcial es menor que la del oxígeno, aproximadamente 5 mm Hg. La presión parcial del dióxido de carbono en la sangre del capilar es de aproximadamente 45 mm Hg, mientras que su presión parcial en los alvéolos es de aproximadamente 40 mm Hg. Sin embargo, la solubilidad del dióxido de carbono es mucho mayor que la del oxígeno, por un factor de aproximadamente 20, tanto en la sangre como en los fluidos alveolares. Como resultado, las concentraciones relativas de oxígeno y dióxido de carbono que se difunden a través de la membrana respiratoria son similares.
Respiración interna
La respiración interna es el intercambio de gases que se produce a nivel de los tejidos corporales (Figura\(\PageIndex{3}\)). Similar a la respiración externa, la respiración interna también ocurre como difusión simple debido a un gradiente de presión parcial. Sin embargo, los gradientes de presión parcial son opuestos a los presentes en la membrana respiratoria. La presión parcial del oxígeno en los tejidos es baja, alrededor de 40 mm Hg, debido a que el oxígeno se usa continuamente para la respiración celular. En contraste, la presión parcial de oxígeno en la sangre es de aproximadamente 100 mm Hg. Esto crea un gradiente de presión que hace que el oxígeno se disocie de la hemoglobina, se difunde fuera de la sangre, cruce el espacio intersticial y entre en el tejido. La hemoglobina que tiene poco oxígeno unido a ella pierde gran parte de su brillo, por lo que la sangre que regresa al corazón es de color más burdeos.
Considerando que la respiración celular produce continuamente dióxido de carbono, la presión parcial del dióxido de carbono es menor en la sangre que en el tejido, provocando que el dióxido de carbono se difunde fuera del tejido, atraviese el líquido intersticial y entre en la sangre. Luego se transporta de regreso a los pulmones ya sea unida a la hemoglobina, disuelta en plasma, o en forma convertida. Para cuando la sangre regresa al corazón, la presión parcial del oxígeno ha vuelto a unos 40 mm Hg, y la presión parcial del dióxido de carbono ha regresado a aproximadamente 45 mm Hg. Luego, la sangre se bombea de regreso a los pulmones para ser oxigenada una vez más durante la respiración externa.
Tratamiento de cámara hiperbárica
Un tipo de dispositivo utilizado en algunas áreas de la medicina que explota el comportamiento de los gases es el tratamiento con cámara hiperbárica. Una cámara hiperbárica es una unidad que puede sellarse y exponer a un paciente ya sea al 100 por ciento de oxígeno con mayor presión o a una mezcla de gases que incluya una mayor concentración de oxígeno que el aire atmosférico normal, también a una presión parcial mayor que la atmósfera. Hay dos tipos principales de cámaras: monoplace y multiplace. Las cámaras monoplazas son típicamente para un paciente, y el personal que atiende al paciente observa al paciente desde el exterior de la cámara (Figura\(\PageIndex{4}\)). Algunas instalaciones cuentan con cámaras hiperbáricas monoplazas especiales que permiten tratar a múltiples pacientes a la vez, generalmente en posición sentada o reclinada, para ayudar a aliviar los sentimientos de aislamiento o claustrofobia. Las cámaras multilugar son lo suficientemente grandes como para que múltiples pacientes sean atendidos a la vez, y el personal que atiende a estos pacientes está presente dentro de la cámara. En una cámara multilugar, los pacientes suelen ser tratados con aire a través de una máscara o campana, y la cámara está presurizada.
Revisión del Capítulo
El comportamiento de los gases puede explicarse por los principios de la ley de Dalton y la ley de Henry, que describen aspectos del intercambio de gases. La ley de Dalton establece que cada gas específico en una mezcla de gases ejerce fuerza (su presión parcial) independientemente de los demás gases de la mezcla. La ley de Henry establece que la cantidad de un gas específico que se disuelve en un líquido es función de su presión parcial. Cuanto mayor sea la presión parcial de un gas, más de ese gas se disolverá en un líquido, a medida que el gas se mueve hacia el equilibrio. Las moléculas de gas se mueven hacia abajo por un gradiente de presión; en otras palabras, el gas se mueve de una región de alta presión a una región de baja presión. La presión parcial de oxígeno es alta en los alvéolos y baja en la sangre de los capilares pulmonares. Como resultado, el oxígeno se difunde a través de la membrana respiratoria desde los alvéolos hacia la sangre. En contraste, la presión parcial del dióxido de carbono es alta en los capilares pulmonares y baja en los alvéolos. Por lo tanto, el dióxido de carbono se difunde a través de la membrana respiratoria desde la sangre hacia los alvéolos. La cantidad de oxígeno y dióxido de carbono que se difunde a través de la membrana respiratoria es similar.
La ventilación es el proceso que mueve el aire dentro y fuera de los alvéolos, y la perfusión afecta el flujo de sangre en los capilares. Ambos son importantes en el intercambio de gases, ya que la ventilación debe ser suficiente para crear una alta presión parcial de oxígeno en los alvéolos. Si la ventilación es insuficiente y la presión parcial de oxígeno cae en el aire alveolar, el capilar se contrae y el flujo sanguíneo se redirige a los alvéolos con suficiente ventilación. La respiración externa se refiere al intercambio de gases que ocurre en los alvéolos, mientras que la respiración interna se refiere al intercambio de gases que ocurre en el tejido. Ambos son impulsados por diferencias parciales de presión.
Preguntas de revisión
P. El gas se mueve de un área de ________ presión parcial a un área de ________ presión parcial.
A. bajo; alto
B. baja; baja
C. alto; alto
D. alto; bajo
Respuesta: D
P. Cuando la ventilación no es suficiente, ¿cuál de las siguientes ocurre?
A. El capilar se contrae.
B. El capilar se dilata.
C. La presión parcial de oxígeno en el alveolo afectado aumenta.
D. Los bronquiolos se dilatan.
Respuesta: A
P. El intercambio de gases que ocurre a nivel de los tejidos se llama ________.
A. respiración externa
B. respiración interpulmonar
C. respiración interna
D. ventilación pulmonar
Respuesta: C
P. La presión parcial del dióxido de carbono es de 45 mm Hg en la sangre y 40 mm Hg en los alvéolos. ¿Qué pasa con el dióxido de carbono?
A. Se difunde en la sangre.
B. Se difunde en los alvéolos.
C. El gradiente es demasiado pequeño para que el dióxido de carbono se difunda.
D. Se descompone en carbono y oxígeno.
Respuesta: B
Preguntas de Pensamiento Crítico
P. Comparar y contrastar la ley de Dalton y la ley de Henry.
A. Tanto las leyes de Dalton como las de Henry describen el comportamiento de los gases. La ley de Dalton establece que cualquier gas en una mezcla de gases ejerce fuerza como si no estuviera en una mezcla. La ley de Henry establece que las moléculas de gas se disuelven en un líquido proporcional a su presión parcial.
P. Un fumador desarrolla daño en varios alvéolos que luego ya no pueden funcionar. ¿Cómo afecta esto al intercambio de gases?
A. Los alvéolos dañados tendrán ventilación insuficiente, haciendo que disminuya la presión parcial de oxígeno en los alvéolos. En consecuencia, los capilares pulmonares que atienden estos alvéolos se contraerán, redirigiendo el flujo sanguíneo a otros alvéolos que están recibiendo suficiente ventilación.
Glosario
- Ley de Dalton
- declaración del principio de que un tipo de gas específico en una mezcla ejerce su propia presión, como si ese tipo de gas específico no fuera parte de una mezcla de gases
- respiración externa
- intercambio de gases que ocurre en los alvéolos
- Ley de Henry
- declaración del principio de que la concentración de gas en un líquido es directamente proporcional a la solubilidad y presión parcial de ese gas
- respiración interna
- intercambio de gases que ocurre a nivel de los tejidos corporales
- presión parcial
- fuerza ejercida por cada gas en una mezcla de gases
- presión total
- suma de todas las presiones parciales de una mezcla gaseosa
- ventilación
- movimiento de aire dentro y fuera de los pulmones; consiste en inspiración y espiración