Fisiología humana

Fisiología del aparato respiratorio

Ventilación pulmonar

Ventilación o volumen/minuto

Se define la ventilación pulmonar como el volumen de aire que se mueve entre el interior de los pulmones y el exterior por unidad de tiempo, siendo esta unidad normalmente el minuto. Su determinación se realiza mediante el producto del volumen corriente por la frecuencia respiratoria. Para un individuo adulto, sano, de unos 70 kg de peso con una frecuencia respiratoria entre 12 y 15 ciclos/minuto y un volumen corriente de 500 a 600 ml, la ventilación sería de 6 a 7 litros/minuto. Aunque el volumen corriente podría tomarse tanto en la inspiración como en la espiración, se considera habitualmente el del aire espirado, estrictamente considerado debería ser la media entre el volumen inspirado y el espirado.

De todo el volumen corriente que se inspira aproximadamente 1/3 no llega a la superficie de intercambio, sino que sirve para rellenar las vías aéreas o zona de conducción. Este volumen de unos 150 ml aproximadamente, se denomina espacio muerto ya que no puede ser usado para el intercambio gaseoso. En condiciones en que algunos alvéolos reciben aire pero no están suficientemente irrigados, se incluye su volumen en región de no intercambio y se denomina a este volumen espacio muerto fisiológico. En condiciones normales este valor es muy pequeño, unos 5 ml y no se tiene en consideración.

El volumen de aire que llega hasta la región de intercambio o alveolar sería de unos 350 ml en un ciclo basal y multiplicado por la frecuencia como anteriormente, daría lugar a la ventilación alveolar o volumen minuto alveolar que estaría en 4,2 litros por minuto.

3.2 Características de la circulación pulmonar

El circuito se origina en el ventrículo derecho, continua por las arterias pulmonares que transportan la sangre venosa (con bajo contenido en O₂ y alto en CO₂) de todo el cuerpo hasta los capilares pulmonares donde se realizará el intercambio gaseoso. Después de oxigenada la sangre retorna a la circulación sistémica a través de las venas pulmonares que transportan sangre arterial (con bajo contenido en CO₂ y alto en O₂) hasta la aurícula izquierda.

El principal elemento de este circuito es el enorme árbol capilar que en contacto con las paredes alveolares proporciona una gran superficie para realizar el intercambio gaseoso. La sección transversal de todos los capilares pulmonares es igual a los capilares de la circulación sistémica siendo el flujo que circula por ellos el mismo que circula por la totalidad de los capilares sistémicos. Sin embargo como los capilares pulmonares son más cortos el tiempo que tarda la sangre en recorrerlos es más corto, alrededor de 1 segundo, mientras que en los sistémicos es de unos 2 segundos.

3.3 Presión y resistencia en la circulación pulmonar

Los vasos pulmonares se diferencian de los sistémicos en que son más delgados, más cortos, de calibre mayor y sus paredes son más distensibles al disponer de menor cantidad de músculo liso y conservar un alto contenido en fibras elásticas hasta 1 mm de diámetro.

El circuito menor es un sistema de baja presión, ya que el gradiente que se establece entre el ventrículo derecho u origen del circuito y la aurícula izquierda o fin del mismo es de unos 25 mm Hg. A nivel de las arterias la presión media es de 15±3 mm Hg (presión sistólica 21±5, presión diastólica 9±3 mm Hg). En los capilares es de 10 y en las venas de 6 mm Hg. La presión de conducción se establece como la diferencia entre la presión ventricular derecha y la presión auricular izquierda.

La resistencia vascular en este circuito es baja. Para movilizar 1 litro de sangre se requieren en el circuito mayor 16 mm Hg, mientras que en el pulmonar son suficientes 2 mm Hg.

3.4 Volumen y flujo sanguíneo en la circulación pulmonar

El circuito pulmonar dispone de un volumen de unos 500 ml, de los cuales unos 75-100 se localizan en los capilares, siendo reemplazada casi en su totalidad en cada latido cardíaco, ya que el volumen de salida del corazón en reposo es de unos 70 ml.

El flujo es igual al que se desarrolla en la circulación mayor y corresponde al gasto cardíaco, ó 5 l/minuto.

3.5 Variaciones regionales en la ventilación alveolar y en la perfusión sanguínea pulmonar

Como efecto del peso del propio pulmón, las porciones de la pleura situadas en la parte más alta tienen valores más negativos de presión pleural, eso hace que los alvéolos se encuentren más distendidos, y por el contrario en la base el efecto de la presión del peso del pulmón sobre las pleuras determina que la presión pleural sea menos negativa o más positiva que en la parte superior. Los alvéolos en esta región están menos distendidos siendo su radio menor. En el proceso de la inspiración los alvéolos superiores incrementan muy poco su volumen, y los inferiores incrementan en mayor escala su volumen haciendo que la mayor parte del aire que entra en el volumen corriente se desplace hacia estas regiones y muy poco hacia las superiores. En términos generales, si se distribuye la altura pulmonar de arriba a abajo en tres zonas, la Zona I o superior recibe el 25% de la ventilación, la Zona II o media el 35% y la Zona III o inferior el 40%.

En la perfusión se comprueba el mismo efecto de la gravedad, que hace que algunos vasos se encuentren más distendidos y reciban un flujo sanguíneo mayor. La acción de la gravedad y las bajas presiones que existen en el lecho vascular pulmonar determinan que el flujo sanguíneo sea muy sensible a la influencia de la gravedad. Los pulmones no presentan en todas sus regiones valores idénticos de perfusión. En posición erecta, o de pie, la base pulmonar está más irrigada que los ápices. En posición supina, o tumbado, las bases y ápices se igualan, sin embargo el dorso recibe ahora más flujo sanguíneo que la región ventral.

Si se divide el pulmón en varias zonas del ápice a la base se observarían los siguientes patrones en el flujo sanguíneo:

• Zona I o vértice pulmonar.
• Zona II o parte media.
• Zona III o base pulmonar.

3.6 Relación ventilación-perfusión

Tal como se ha descrito previamente la ventilación y la perfusión no se distribuyen de manera homogénea y regular por todo el pulmón. Si se correlacionan ambos parámetros se obtiene un cociente o tasa ventilación perfusión (V_A/Q), en la que las variaciones de perfusión son mayores que las de ventilación. Esta tasa es inferior a 1 en la base y superior a 1 en el vértice, teniendo como valor medio 0,85-0,90, siendo una medida de la función pulmonar. Con el ejercicio y el consiguiente incremento del metabolismo, la ventilación y la perfusión aumenta, siendo más elevado el incremento de la primera, por lo que el cociente V_A/Q puede aumentar 3 ó 4 veces.

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Intercambio de gases en el pulmón

Intercambio de gases en el pulmón

La ventilación descrita previamente constituye el sistema mediante el cual se produce la renovación de gases en el alvéolo, lo que permitirá el intercambio gaseoso a través de la barrera hemato-gaseosa o membrana alvéolo-capilar, con los gases de la sangre capilar. El proceso de transferencia se realiza de forma totalmente pasiva mediante el mecanismo de la difusión.

	AIRE INSPIRADO		AIRE ALVEOLAR Σ aire inspirado + volumen residual		AIRE ESPIRADO S aire alveolar + espacio muerto
O2	20,48%	159	13,15%	100	15,26%	116
CO2	0,04%	0,3	5,27%	40	3,42%	26
N2	78,62%	597	75,39%	573	75,13%	571
H2O	0,5%	3,7	6,19 %	47	6,19%	47

Composición del aire inspirado, alveolar y espirado.

Las diferencias entre el aire inspirado y el aire alveolar se deben a:

• a) En cada ciclo respiratorio basal tan sólo se renueva 1/7 parte del aire contenido en los alvéolos, ya que la capacidad residual funcional es de alrededor de 2.300 ml y el volumen corriente alveolar de 350 ml.
• b) Al incorporar vapor de agua según recorre las vías aéreas, lo que da lugar a una dilución del resto de los gases.
• c) Al mezclarse con el aire de la capacidad residual funcional, los valores resultantes dependerán no sólo de las presiones del aire entrante sino también de las que tenga el aire residual.

Las diferencias entre el aire alveolar y el aire espirado se deben a:

• a) La mezcla entre el aire alveolar después de realizado el proceso de intercambio gaseoso y el aire inspirado que rellena las vías aéreas o espacio muerto.
• b) Las presiones parciales de los gases del espacio muerto y las presiones parciales de los gases del espacio alveolar.

La variación observada en el N₂ se debe a que el volumen de aire inspirado es mayor que el volumen de aire espirado ya que en el intercambio gaseoso no se equilibra exactamente la pérdida de O₂ con la ganancia de CO₂ debido a que en condiciones metabólicas basales hay un mayor consumo de O₂ que producción de CO₂.

4.1.1  Gas alveolar

La composición del gas alveolar depende de los siguientes factores:

• a) Composición del aire inspirado.
• b) Ventilación alveolar.
• c) Metabolismo.

Presiones parciales (mm Hg.)	O2	CO2	N2
Gas alveolar	100	40	573
Sangre venosa	40	46	573
Extremo del capilar pulmonar	100	40	573
Sangre arterial sistémica	95	40	573

4.1.2  Difusión de los gases respiratorios

A una temperatura y presión dada, la cantidad de gas disuelto por unidad de volumen de la disolución, es un valor constante que se conoce con el nombre de coeficiente de solubilidad. Depende de la naturaleza del gas y del líquido. Por ejemplo, en condiciones estándar (0ºC y 760 mm Hg), 100 ml de agua disolverán 49 ml de O₂ y 171 ml de CO₂, a 40ºC los volúmenes se reducirán a 2,3 ml de O₂ y 54 ml de CO₂.

Los coeficientes de solubilidad del oxígeno y del anhídrido carbónico, a 37ºC, son 0,024 y 0,57, respectivamente. Si se establecen combinaciones químicas, como por ejemplo la del oxígeno con la hemoglobina, éstas no ejercerán presión parcial.

El intercambio gaseoso es un proceso pasivo a través de la barrera hemato-gaseosa mediante difusión simple por gradiente de presión siguiendo la Ley de Fick:

       Flujo = Area · D gas · ΔP / espesor membrana.

El área de difusión es de unos 70 m² el espesor está entre 0,1-0,5 μ. El coeficiente de difusión de un gas en un medio líquido depende de su solubilidad y de su tamaño. Los coeficientes de difusión para los principales gases respiratorios son 1,0 para el O₂, 20,3 para el CO₂ y 0,53 para el N₂ pudiendo observarse que el CO₂ presenta un coeficiente de difusión más de 20 veces superior al del O₂.

4.1.2.1  Flujo unitario

Se define como el volumen de gas que difunde entre gas alveolar y sangre en la unidad de tiempo y por unidad de presión. Para el O₂ presenta un valor de 20 ml/min/mm Hg. y para el CO₂ de 400 ml/min/mm Hg. Estos valores se modifican con la edad (disminuyendo) y el ejercicio (aumentando).

4.1.3  Difusión del O₂ y del CO₂

En el tiempo que la sangre tiene para recorrer el capilar, aproximadamente 1 segundo, se ha de producir todo el proceso difusivo, en realidad todo el intercambio en condiciones de reposo se realiza durante el primer tercio de trayecto capilar (0,3 seg) considerándose los otros dos tercios restantes como una reserva funcional. Cuando el caudal sanguíneo se incrementa y el tiempo de contacto disminuye normalmente hay reservas suficientes para la difusión.

Los factores que pueden limitar este intercambio, aparte de los gradientes de presión se encontrarían en modificaciones del área y del grosor de la membrana alveolar. El engrosamiento de la pared, por ejemplo en el edema o bien que la pared se haga más impermeable como en la fibrosis; o la disminución de área como en el enfisema o en el embolismo pulmonar dificultan el intercambio gaseoso.

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