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Intercambio Gaseoso

Ya que las células humanas dependen principalmente del metabolismo aeróbico, es de vital importancia obtener oxígeno del medio ambiente y llevarlo a los tejidos de manera eficiente, al tiempo que se excreta el subproducto de la respiración celular dióxido de carbono (CO2). La respiración implica tanto al sistema respiratorio como al circulatorio. Hay 4 procesos que suministran oxígeno (O2) al cuerpo y eliminan el CO2. El sistema respiratorio participa en la ventilación pulmonar y la respiración externa, mientras que el sistema circulatorio es responsable del transporte y la respiración interna. La ventilación pulmonar (respiración) representa el movimiento de entrada y salida de aire de los pulmones. La respiración externa, o intercambio de gases, está representada por el intercambio de O2 y CO2 entre los pulmones y la sangre.

Última actualización: Jul 19, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Anatomía del Sistema Respiratorio que Interviene en el Intercambio de Gases

El intercambio de gases se produce en los alvéolos pulmonares y los capilares de la circulación pulmonar.

  • Unidad respiratoria:
    • Unidad funcional más pequeña de los pulmones
    • Compuesta por un bronquiolo respiratorio, conductos alveolares, aurículas y alvéolos
  • Lechos vasculares:
    • Los capilares llenan el espacio entre los alvéolos.
    • Muy poca distancia entre la sangre en los capilares y el aire en los alvéolos
  • Membrana pulmonar:
    • Área de interfase entre los capilares y los alvéolos
    • El grosor es de 0,6 micrómetros en promedio
    • Capas de la membrana pulmonar (dentro de los alvéolos → capilares):
      • Capa de fluido que recubre el interior del alvéolo (contiene surfactante para romper la tensión superficial)
      • Epitelio alveolar
      • Membrana basal epitelial
      • Intersticio
      • Membrana basal capilar
      • Membrana endotelial capilar
Schematic diagram of the structure of the respiratory zone of the lower respiratory tract

Diagrama esquemático de la estructura de la zona respiratoria del tracto respiratorio inferior:
Obsérvese la composición de la pared alveolar:
1) Bronquiolo respiratorio
2) Tabique interalveolar primario
3) Saco alveolar
4) Capilares
5) Neumocito tipo II
6) Neumocito tipo I
7) Conducto alveolar

Imagen por Lecturio.

Física del Intercambio de Gases

Propiedades físicas de los gases

Durante el intercambio de gases, el O₂ y el CO₂ deben atravesar la membrana pulmonar. Este proceso es impulsado por múltiples y complejas fuerzas determinadas por las propiedades físicas de estos gases.

  • Concentración: El O₂ y el CO₂ fluirán de las zonas de alta concentración a las de baja concentración.
  • Diferencia de la presión parcial del gas en el aire de los alvéolos y del gas disuelto en la sangre:
    • Presión parcial del gas en los alvéolos:
      • La presión del aire en un recipiente fijo es proporcional a la concentración de moléculas de aire forzadas en ese recipiente.
      • El aire atmosférico está compuesto por O₂, nitrógeno y dióxido de carbono. La velocidad de difusión de cada gas es proporcional a la presión ejercida por ese gas solo, llamada presión parcial.
      • Ejemplo: El aire atmosférico tiene 760 mm Hg y un 21% de O₂. La presión parcial de O₂ (PO₂) en los alvéolos es de 760 x 0,21 = 160 mm Hg.
    • Presión parcial del gas disuelto en la sangre:
      • El gas disuelto en un líquido ejerce una presión parcial determinada tanto por su concentración como por una constante conocida como coeficiente de solubilidad.
      • Ejemplo: presión parcial de O₂ disuelto en sangre = concentración O₂/coeficiente de solubilidad de O₂ = 0,025 mm Hg
    • El gas fluye de las zonas de alta presión parcial a las de baja presión parcial.

Fuerzas que impulsan la tasa de intercambio de O₂ y CO₂

La tasa de intercambio de gases está determinada por la eficacia del intercambio a través de la membrana pulmonar y la velocidad a la que se puede llevar allí desde el aire (para el O₂) o desde el cuerpo (para el CO₂).

  • O₂:
    • La difusión de O₂ en la sangre desde los alvéolos es extremadamente eficiente.
    • Incluso ↑ de velocidad con la que se lleva el O₂ a los alvéolos (ventilación) no puede mejorar la difusión del O₂ a través de la membrana pulmonar
    • El único factor que puede afectar a la difusión es la modificación de la presión parcial de O₂ en el aire respirado (e.g., respirar O₂ puro o respirar a grandes alturas).
  • CO₂:
    • La difusión es más lenta.
    • La velocidad de ventilación es directamente proporcional a la velocidad de difusión a través de la membrana pulmonar y de eliminación del cuerpo.
  • Correlación clínica:
    • La saturación de O₂ de la sangre viene determinada por la presión parcial de O₂ respirada por el paciente.
    • La saturación de CO₂ de la sangre viene determinada por la velocidad de ventilación (respiración).

Transporte de Gas

El O₂ y el CO₂ deben ser transportados a través del torrente sanguíneo para llegar a los lugares de intercambio de gases.

Transporte de O₂

  • Hay:
    • 0,295 mL de O₂ por dL de sangre arterial
    • 0,124 mL de O₂ por dL de sangre venosa
  • 1,5% del O₂: disuelto en plasma.
  • 98,5% del O₂: unido débilmente a cada átomo de hierro de la hemoglobina (Hb) en los eritrocitos.
  • Hb:
    • Tiene 4 sitios de unión para el O
    • Afinidad de la Hb por el O₂ ↑ con la cantidad de O unido a ella
  • Saturación de O:
    • Porcentaje de Hb unida al O₂:
      • En la sangre arterial, la Hb tiene una saturación de O₂ cercana al 99%.
      • En la sangre venosa, la Hb tiene una saturación de O₂ de alrededor del 75%.
      • Permite conservar la reserva de O₂ en la sangre
  • Carga y descarga de Hb:
    • La carga y descarga de O₂ se ve facilitada por los cambios en la forma de la Hb.
      • Al unirse el O₂, la afinidad de la Hb por el O₂ ↑
      • A medida que se libera O₂, la afinidad de la Hb por el O₂ ↓
    • La tasa de carga y descarga de O₂ está regulada por:
      • PO₂ (los niveles de O₂ ↓ permiten que el O₂ se disocie de la Hb más fácilmente)
      • ↑ de temperatura ↓ la afinidad de la Hb por el O₂
      • ↓ de Ph de la sangre ↓ la afinidad de la Hb por el O₂
      • ↑ Presión parcial de dióxido de carbono (PCO₂) causa ↓ afinidad de la Hb por el O₂
      • ↑ La concentración de bifosfoglicerato (BPG, por sus siglas en inglés) ↓ la afinidad de la Hb por el O₂

Transporte de CO₂

  • 7%–10% de CO₂: disuelto en el plasma
  • 20% de CO₂: unido a la Hb (carbaminohemoglobina)
  • El 70% restante es bicarbonato (HCO3); el CO₂ es convertido en HCO3 por la anhidrasa carbónica dentro de los eritrocitos.

Relación Ventilación/Perfusión (V/Q)

La ventilación y la perfusión son los mecanismos que transportan O₂ y CO₂ entre la membrana pulmonar y los tejidos del organismo.

  • Para que el intercambio de gases sea eficaz, la ventilación y la perfusión deben estar perfectamente equilibradas.
  • Los cambios en las necesidades metabólicas o los estados de enfermedad pueden afectar la ventilación o la perfusión de forma independiente.
  • Existen mecanismos para mantener el equilibrio entre la ventilación y perfusión.

Perfusión

La perfusión es el flujo de sangre a la irrigación pulmonar.

  • Perfusión pulmonar = gasto cardíaco
  • Durante el ejercicio intenso, la necesidad metabólica de O₂ ↑ y se debe eliminar más CO₂
  • El gasto cardíaco y el flujo sanguíneo pulmonar ↑ para satisfacer la demanda a través de 2 mecanismos:
    • Reclutamiento: cuando la presión arterial pulmonar ↑, los vasos colapsados se abren
    • Distensión: cuando la presión arterial pulmonar ↑, los vasos arteriales que conducían la sangre a plena capacidad se ensanchan
  • Volumen pulmonar y flujo sanguíneo:
    • A volúmenes pulmonares ↑, los capilares se comprimen, produciendo ↑ resistencia vascular (efecto de compresión)
    • A volúmenes pulmonares ↓, los capilares también se comprimen, ↑ resistencia vascular
    • Efecto de vasodilatación en el flujo sanguíneo: La presión pleural negativa ejercida sobre los alvéolos que se transfiere a los vasos sanguíneos provoca vasodilatación.

Ventilación

  • Cambios en la PO₂ en los alvéolos → cambios en el diámetro de las arteriolas que afectan la perfusión:
    • PO₂ induce vasoconstricción
    • El PO₂ induce vasodilatación
    • Promueve la redistribución del flujo sanguíneo hacia los alvéolos con mayor PO₂
  • Cuando la PO₂ ↓ en todos los alvéolos, se produce una vasoconstricción quimiorrefleja
  • Cambios en la PCO₂ → cambios en los diámetros de los bronquiolos:
    • Si el CO₂ alveolar es ↑, los bronquiolos se dilatan
    • Si el CO₂ alveolar es ↓, los bronquiolos se contraen
  • La gravedad y el flujo sanguíneo:
    • La gravedad ↓ el flujo de sangre hacia el vértice y ↑ hacia la base

Hipoxemia e Hipercapnia

Hay 2 diferencias importantes de PO₂ (gradientes):

  • Alveolararterial (A-a): diferencia de PO₂ entre los alvéolos y la sangre arterial sistémica
  • Arteriovenosa (AV): diferencia de PO₂ entre la sangre venosa y arterial
Presiones de o₂ y co₂ intercambio de gases respiratorios.

Diferencia arterio-venosa (a-v) de la PO2 entre la sangre venosa y arterial:
Presiones de O2 y CO2 en los alvéolos y en la circulación sistémica antes y después del intercambio de gases.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0

Hipoxia tisular

  • Baja disponibilidad de O en los tejidos
  • Los riñones detectan la hipoxia y estimulan la síntesis de eritrocitos mediante la liberación de eritropoyetina (EPO).

Hipoxemia

  • Baja PO₂ en la sangre
  • Puede ser causada por:
    • Hipoventilación
    • Fracción inspirada de O₂ reducida (< 21%)
    • Alteración difusional: difusión inadecuada de los gases en los capilares
    • Derivación derecha-izquierda: comunicación entre las circulaciones pulmonar arterial y venosa que permite que la sangre desoxigenada se salte parcialmente el intercambio de gases
    • Desigualdad V/Q
Diagrama hipoxemia respiratoria intercambio de gases

Diagrama de una derivación de derecha-izquierda:
Ver la comunicación que permite que la sangre se salte el intercambio de gases y baje la presión arterial de O2.

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0

Hipercapnia

  • PCO₂ arterial superior a 40 mm Hg
  • Este proceso puede ocurrir debido a:
    • Disminución de la ventilación alveolar
    • Desigualdad V/Q severa
    • Aumento de la producción de CO₂ sin compensación ventilatoria
  • La ventilación alveolar y la PaCO₂ están inversamente relacionadas.

Correlación Clínica

  • Anemia: disminución de los eritrocitos en circulación. La anemia provoca una disminución de la cantidad de O disponible al disminuir la cantidad global de Hb. Las etiologías pueden agruparse con las que se caracterizan por la incapacidad de producir suficientes eritrocitos (deficiencia de hierro, displasia de la médula ósea y neoplasia) y las que se caracterizan por una mayor destrucción de eritrocitos (autoinmune, infecciosa, genética). Los síntomas más comunes de la anemia son la palidez de las membranas mucosas y la fatiga fácil. La oximetría de pulso sigue siendo normal, ya que el porcentaje de saturación de cada molécula de hemoglobina no varía. El diagnóstico de anemia se confirma con análisis de sangre que indican una disminución de los eritrocitos. El tratamiento está enfocado en solucionar la patología subyacente que causa la anemia.
  • Policitemia: aumento de los eritrocitos en circulación. La policitemia provoca un aumento de la cantidad de O₂ disponible al aumentar la cantidad global de Hb. Las etiologías varían desde las no patológicas (habituación a la altura, periodo de adaptación perinatal) hasta procesos patológicos graves (neoplasia, policitemia vera). Los pacientes con policitemia suelen tener una tez rojiza y pueden presentar una coagulación excesiva y sus consecuencias. El diagnóstico se confirma mediante recuentos de células sanguíneas, y el tratamiento varía según la etiología.
  • Intoxicación por monóxido de carbono (CO): respirar CO disminuye la cantidad de O₂ disponible en la circulación del paciente al ocupar sitios de unión de la Hb destinados al O₂ con mayor afinidad. La oximetría de pulso suele informar de saturaciones normales, incluso elevadas, ya que todos los sitios de unión de la hemoglobina están ocupados. Los pacientes suelen decir que tienen cefalea y disminución del nivel de conciencia. La intoxicación por monóxido de carbono puede ser mortal si no se aleja al paciente de la fuente de CO.
  • Edema pulmonar: presencia de líquido en lugar de aire en los alvéolos. La presencia de líquido adicional impide el intercambio adecuado de gases, disminuyendo en gran medida la superficie disponible. El edema pulmonar tiene varias etiologías, como la insuficiencia cardíaca y sepsis. Los pacientes presentan falta de aire y a menudo tienen estertores audibles en el examen. La oximetría de pulso suele ser baja en estos pacientes. El tratamiento tiene como objetivo eliminar las causas de la acumulación excesiva de líquido.

Referencias

  1. Hall, JE, & Hall, ME. (2021). Guyton and Hall textbook of medical physiology (14th ed.). Elsevier.
  2. Powers KA, Dhamoon AS. (2021). Physiology, pulmonary ventilation, and perfusion. StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  3.  Biga, LM, Dawson, S, Harwell A, Hopkins, R, et al. Anatomy and physiology. Retrieved April 26, 2021, from https://openstax.org/details/books/anatomy-and-physiology

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