Intercambio de gases en los pulmones, la sangre y los tejidos

El intercambio de gases es el proceso físico por el que los gases se mueven de forma pasiva, es decir, sin necesidad de energía para impulsar el transporte, por difusión a través de una superficie.

Respiración externa es otro término para el intercambio de gases.

Describe tanto el flujo de aire que entra y sale de los pulmones como la transferencia de oxígeno y dióxido de carbono en el torrente sanguíneo mediante la difusión.

La respiración interna, en cambio, describe el intercambio de gases capilares en los tejidos del cuerpo.

Mientras que el flujo de aire del entorno externo se produce debido a los cambios de presión en los pulmones, los mecanismos de intercambio de gases alveolares son más complejos.

Los tres componentes principales del intercambio de gases son la superficie de la membrana alveolocapilar, los gradientes de la presión parcial de los gases y la concordancia de la ventilación y la perfusión.

Si dibujáramos un camino para las moléculas de oxígeno que entran en el cuerpo, empezaría en la nariz o la boca y terminaría en los pulmones, donde llegaría a los alvéolos que están envueltos en una intrincada red de vasos sanguíneos muy pequeños llamados capilares pulmonares.

Desde los alvéolos, las moléculas de gas pasan a la sangre en los capilares.

El dióxido de carbono sigue el mismo camino, pero en sentido contrario, pasando de la sangre de los capilares al aire en los alvéolos y luego siendo exhalado.

La membrana alveolocapilar desempeña la función más importante de este proceso: la capa de células alveolares que recubre los alvéolos se une a las células endoteliales que forman el capilar pulmonar, que es donde se produce el intercambio de gases.

Teniendo esto en cuenta, digamos que cuanto más grande es la superficie de la membrana alveolocapilar, mejor, porque se puede difundir más gas en un período de tiempo determinado a través de una membrana respiratoria con una gran superficie, lo que lleva a un intercambio de gases más eficaz.

En el enfisema, por ejemplo, que es un trastorno en el que los alvéolos se destruyen gradualmente, la superficie total que permite el intercambio de gases se reduce.

Si hay menos superficie para el intercambio de gases, la tasa de difusión disminuye.

Otro aspecto relacionado con la membrana alveolocapilar que influye en el intercambio de gases es su grosor.

En los pulmones sanos, la membrana respiratoria tiene un grosor de 0,5-1 micrómetros.

En cambio, en la fibrosis pulmonar, la pared alveolocapilar se engrosa y una membrana alveolocapilar más gruesa reduce la velocidad de difusión.

El intercambio de gases a través de la membrana alveolocapilar se produce según lo que se conoce como ley de Fick.

La ley de Fick establece que la tasa neta de difusión (la velocidad de cualquier gas concreto a través de la membrana alveolocapilar) es proporcional a la fuerza motriz, que es la diferencia entre la presión parcial del gas en los sacos alveolares, o SA, y la presión parcial del gas en la sangre, o Pa, y también proporcional al área de la superficie de la membrana, o A, pero inversamente proporcional al grosor de la pared, o T.

Y todo esto por el coeficiente de difusión, D, que varía de un gas a otro.

Por lo tanto, V=(PA-Pa)ADT Específicamente, la fuerza impulsora de la difusión es la diferencia de la presión parcial del gas a través de la membrana, y NO la diferencia de concentración.

Así pues, la difusión de oxígeno y dióxido de carbono es impulsada a través de la membrana respiratoria por sus gradientes de presión parcial.

Por lo tanto, si la presión parcial de oxígeno en el aire alveolar es de 100 mmHg y la de la sangre venosa mixta que entra en el capilar pulmonar es de 40 mmHg, la fuerza motriz para el oxígeno a través de la barrera alveolocapilar de 60 mmHg.

Básicamente, se produce un gradiente de presión parcial de oxígeno pronunciado a través de la membrana alveolocapilar porque la presión parcial de oxígeno en el aire alveolar es mayor que la presión parcial de oxígeno en las arterias pulmonares, lo que hace que el oxígeno atraviese rápidamente la membrana respiratoria desde los alvéolos hasta la sangre.

La presión parcial de 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, unos 5 mmHg.

La presión parcial del dióxido de carbono en la sangre del capilar es de unos 45 mmHg, mientras que su presión parcial en los alvéolos es de unos 40 mmHg.

Las presiones parciales del aire inhalado y del aire alveolar determinan por qué el oxígeno entra en los alvéolos y por qué el dióxido de carbono sale de ellos.

Esto nos lleva a la llamada ley de Dalton, que establece que la suma de las presiones parciales de todos los gases de una mezcla es igual a la presión total de esa mezcla.

Así, para el gas seco, la presión parcial es la presión total multiplicada por la concentración fraccionaria de gas seco, mientras que la relación para el gas húmedo se determina corrigiendo la presión barométrica por la presión del vapor de agua.

Por lo tanto: para el gas seco -> Px=Pb x F Para el gas húmedo -> Px = (Pb - PH2O) x F, donde Px es la presión parcial de un gas, Pb es la presión barométrica, PH2O es la presión del vapor de agua a 37 ºC, que tiene un valor de 47 mmHg.

F es la concentración fraccionaria de un gas.

Como ejemplo, en el aire inspirado seco, la PO2 es de aproximadamente 160 mmHg, que se calcula multiplicando la presión barométrica del oxígeno, que es de 760 mmHg, por la concentración fraccionaria del O2, 21% (760 mmHg x 0,21 = 160 mmHg).

A efectos prácticos, no hay CO2 en el aire inspirado seco y la PCO2 es cero.

En el aire traqueal húmedo, se supone que el aire está saturado totalmente de vapor de agua.

A 37 ºC, el PH2O es de 47 mmHg.

Así, en comparación con el aire inspirado seco, el aire traqueal húmedo tiene una PO2 más baja porque el O2 está "diluido" en el vapor de agua.

Recuerde que las presiones parciales en el aire húmedo se calculan corrigiendo la presión barométrica por la presión del vapor de agua, y luego multiplicando por la concentración fraccionaria del gas.

Así, la PO2 del aire traqueal húmedo es de 150 mmHg ([760 mmHg - 47 mmHg] × 0,21 = 150 mmHg).

Como no hay CO2 en el aire inspirado, la PCO2 del aire traqueal húmedo también es cero.

El aire húmedo entra en los alvéolos, donde se produce el intercambio de gases.

En el aire alveolar, los valores de la PO2 y la PCO2 son muy diferentes a los del aire inspirado.

La PAO2 es de 100 mmHg, que es menor que la PO2 en el aire inspirado, que es de 160 mmHg, y la PACO2 es de 40 mmHg, que es mayor que la PCO2 en el aire inspirado, que es cercana a 0 mmHg.

Así que, según la ley de Dalton, estos valores de la presión parcial influyen en el desplazamiento de estos gases, lo que significa que se moverán de una zona de alta concentración a una zona de baja concentración.

Dentro de los pulmones, el oxígeno y el dióxido de carbono se difunden entre el aire de los alvéolos y la sangre, es decir, entre un gas y un líquido.

Este movimiento se rige por la Ley de Henry, que establece que a una temperatura constante, la cantidad de un gas que se disuelve en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas en equilibrio con ese líquido.

Básicamente, según esta ley, los gases pueden ser forzados a disolverse en un líquido, como la sangre, si se aplica suficiente presión y se controla el volumen.

También dice que una vez que se libera esa presión, los gases pueden salir de la solución.

La concentración de un gas en solución se expresa como porcentaje de volumen (%), o volumen del gas por 100 ml de sangre (ml de gas/100 ml de sangre).

Así, para la sangre: Cx = Px X Solubilidad, donde Cx es la concentración de gas disuelto (ml de gas/100 ml de sangre), Px es la presión parcial del gas (mmHg) y la Solubilidad se refiere a la solubilidad del gas en la sangre (ml de gas/100 ml de sangre por mmHg).

Para probar esta relación, si se considera que la PO2 de la sangre arterial es de 100 mmHg y dado que la solubilidad del O2 es de 0,003 ml de O2/100 ml de sangre por mmHg, se podría calcular la concentración de O2 disuelto en la sangre.

O2 = PO2 X solubilidad, por lo que la concentración de O2 disuelto es de 0,3 ml/100 ml de sangre.

En realidad, esta ley se interconecta con la ley de Boyle durante el ciclo respiratorio y el intercambio de gases.

La Ley de Boyle establece que para una cantidad fija de un gas mantenido a una temperatura fija, la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

Básicamente, si el volumen aumenta, la presión disminuye y al revés.

Esta ley es aplicable en el sistema respiratorio durante la inspiración y la espiración.