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MECÁNICA RESPIRATORIA
La mecánica respiratoria comprende una serie de movimientos que se producen en el tórax destinados a permitir la entrada y salida de aire de los pulmones. Se pueden distinguir dos fases en la mecánica respiratoria: 1- INSPIRACIÓN: Consiste en la entrada de aire cargado de O2 desde el exterior (atmósfera) hasta el interior de los pulmones. 2-ESPIRACIÓN: Consiste en la salida de aire cargado de CO2 desde los pulmones hacia el exterior.
APARATO RESPIRATORIO
El aparato respiratorio o sistema respiratorio es el encargado de captar el oxígeno (O 2 ) del aire e introducirlo en la sangre y expulsar del cuerpo el dióxido de carbono (CO 2 ) ―que es un desecho de la sangre y subproducto del anabolismo celular. En humanos y otros mamíferos, el sistema respiratorio consiste en vías respiratorias, pulmones y músculos respiratorios que median en el movimiento del aire tanto dentro como fuera del cuerpo humano. El aparato respiratorio incluye fosas nasales (usadas para ingresar el aire al cuerpo), tubos (como la tráquea y los bronquios), los dos pulmones (donde ocurre el intercambio gaseoso). El intercambio de gases es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, del ser vivo con el medio. Dentro del sistema alveolar de los pulmones, las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. Así, el sistema respiratorio facilita la oxigenación con la remoción contaminante del dióxido de carbono y otros gases que son desechos del metabolismo y de la circulación. El sistema respiratorio también ayuda a mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente eliminación de dióxido de carbono de la sangre. El diafragma, como todo músculo, puede contraerse y relajarse. En la inhalación, el diafragma se contrae y se allana, y la cavidad torácica se amplía. Esta contracción crea un vacío que succiona el aire hacia los pulmones
BIOFÍSICA DE LA RESPIRACIÓN
(inhalación). En la exhalación, el diafragma se relaja y el aire es expulsado de los pulmones. Para que un órgano respiratorio sea eficaz debe presentar varias características:
- La superficie de intercambio debe ser la mayor extensión posible.
- El epitelio de la zona de intercambio debe ser muy delgado para no dificultar el intercambio gaseoso.
- El líquido que transporta los pigmentos respiratorios debe circular y renovarse constantemente. FUNCIÓN : La función del Sistema Respiratorio es incorporar oxígeno al organismo; para que al llegar a la célula se produzca la "combustión" y poder así "quemar" los nutrientes y liberar energía. De ésta combustión quedan desechos, tal como el dióxido de carbono, el cual es expulsado al exterior a través del proceso de espiración (proceso llevado a cabo por el sistema respiratorio).
CURVA PRESIÓN - VOLUMEN EN PULMON AISLADO
Surfactante Pulmonar Disminuye el trabajo durante la inspiración: Disminuye la tensión superficial de los alveólos Disminuye el retroceso elástico del pulmón Aumenta distensibilidad Ayuda a estabilizar los alveólos de diferentes tamaños Surfactante Pulmonar Producido por los neumocitos tipo II Principal componente palmitoil- fosfatidilcolina Disminuye el trabajo durante inspiración: Tensión superficial de los alveólos y el retroceso elástico alveolar Distensibilidad Ayuda a estabilizar los alveólos de diferentes tamaños
COMPOSICIÓN DEL AIRE
la mezcla homogénea de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor del planeta Tierra por acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta y transparente en distancias cortas y medias. Para dar con más exactitud los porcentajes presentamos la siguiente composición en porcentaje de volumen de los gases en el aire: Nitrógeno:78% Oxígeno:20.9% Gases..inertes:0,95% CO2: 0,03% Se hallan además en concentraciones variadas, el ozono (O3) y algunos óxidos de nitrógeno formados por descargas eléctricas. Algunos compuestos sulfurados o de azufre y vapor de agua, los cuales suman para completar el porcentaje total. Esto explica la variación aunque sea pequeña de la composición gaseosa del aire. Por ejemplo, en zonas o ciudades más contaminadas habrá mayor concentración de algunos compuestos gaseosos. Por esto, decimos que el aire es una solución gaseosa. PROPIEDADES DEL AIRE Según la altitud, la temperatura y la composición del aire, la atmósfera terrestre se divide en cuatro capas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. A mayor altitud disminuyen la presión y el peso del aire. Las porciones más importantes para el análisis de la contaminación atmosférica son las dos capas cercanas a la Tierra: la troposfera y la estratosfera. El aire de la troposfera interviene en la respiración. Por volumen está compuesto, aproximadamente, por 78,08 % de nitrógeno (N 2 ), 20,94 % de oxígeno (O 2 ), 0,035 % de dióxido de carbono (CO 2 ) y 0,93 % de gases inertes, como argón y neón.
En esta capa, de 7 km de altura en los polos y 16 km en los trópicos, se encuentran las nubes y casi todo el vapor de agua. En ella se generan todos los fenómenos atmosféricos que originan el clima. Más arriba, aproximadamente a 25 kilómetros de altura, en laestratosfera, se encuentra la capa de ozono, que protege a la Tierra de los rayos ultravioleta (UV). En relación con esto vale la pena recordar que, en términos generales, un contaminante es una substancia que está «fuera de lugar», y que un buen ejemplo de ello puede ser el caso del ozono (O 3 ). Cuando este gas se encuentra en el aire que se respira, es decir bajo los 25 kilómetros de altura habituales, es contaminante y constituye un poderoso antiséptico que ejerce un efecto dañino para la salud, por lo cual en esas circunstancias se le conoce como ozono troposférico u ozono malo. Sin embargo, el mismo gas, cuando está en la estratosfera, forma la capa que protege de los rayos ultravioleta del Sol a todos los seres vivientes (vida) de la Tierra, por lo cual se le identifica como ozono bueno El aire tiene una densidad aprox de 1,293 grs/litro. Es el responsable de lo que conocemos como presión atmosférica, ya que es su propio peso el que origina dicha presión. Torricelli halló este valor que es de 76 cm de mercurio o 760 mm de mercurio. Este valor se conoce en otras unidades como 1 atmósfera de presión.
LEYES DE LOS GASES
Explican el comportamiento de los gases , como influyen en este los eventos físicos que los alteran y que son: temperatura, presión y volumen , además de la cantidad de que se trate. TEMPERATURA La temperatura (T) ejerce gran influencia sobre el estado de las moléculas de un gas aumentando o disminuyendo la velocidad de las mismas. Para trabajar con nuestras fórmulas siempre expresaremos la temperatura en grados Kelvin. Cuando la escala usada esté en grados Celsius, debemos hacer la conversión, sabiendo que 0º C equivale a + 273,15 º Kelvin. PRESIÓN En Física, presión (P) se define como la relación que existe entre una fuerza (F) y la superficie (S) sobre la que se aplica, y se calcula con la fórmula
El volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad del mismo. Esto significa que: Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen del mismo. Si disminuimos la cantidad de gas, disminuirá el volumen del mismo. Esto tan simple, podemos expresarlo en términos matemáticos con la siguiente fórmula: que se traduce en que si dividimos el volumen de un gas por el número de moles que lo conforman obtendremos un valor constante. Esto debido a que si ponemos más moles (cantidad de moléculas) de un gas en un recipiente tendremos, obviamente, más gas (más volumen), así de simple. Esto se expresa en la ecuación , simplificada es
Ley de Boyle
Esta ley nos permite relacionar la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante. La ley de Boyle (conocida también como de Boyle y Mariotte) establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Lo cual significa que: El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión que se le aplica: En otras palabras: Si la presión aumenta, el volumen disminuye. Si la presión disminuye, el volumen aumenta. Presión y volumen: si una sube, el otro baja.
Esto nos conduce a que, si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. Matemáticamente esto es: lo cual significa que el producto de la presión por el volumen es constante.
Ley de Charles
Mediante esta ley relacionamos la temperatura y el volumen de un gas cuando mantenemos la presión constante. Textualmente, la ley afirma que: El volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura del gas. En otras palabras: Si aumenta la temperatura aplicada al gas, el volumen del gas aumenta. Si disminuye la temperatura aplicada al gas, el volumen del gas disminuye. Como lo descubrió Charles, si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen (V) y la temperatura (T) siempre tiene el mismo valor (K) (es constante). Matemáticamente esto se expresa en la fórmula lo cual significa que el cociente entre el volumen y la temperatura es constante.
Ley de Gay-Lussac
Esta ley establece la relación entre la presión (P) y la temperatura (T) de un gas cuando el volumen (V) se mantiene constante, y dice textualmente: La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura. Esto significa que: A mayor temperatura, mayor volumen. A mayor temperatura, mayor presión.
P(z) = P x Xz
DIFUSIÓN DE LOS GASES ATRAVES DE LOS LIQUIDOS Y TEJIDOS
CORPOREOS
DIFUSION DE LOS GASES
Los gases son moléculas simples que se mueven libremente unas entre otras, proceso que se conoce como “difusión”. Esto también ocurre con los gases disuelto en los líquidos y los tejidos corporales. El propio movimiento cinético de las moléculas constituye la fuente de energía generadora de la difusión.
PRESION PARCIAL DE LOS GASES
El aire es una mezcla de gases, y la tasa de difusión de cada uno de ellos es directamente proporcional a la presión originada por ese gas determinado que se denomina “presión parcial “del gas. Así en la mezcla de gases que existe en el aire se designan como PO 2 , PCO 2 , PN 2 , PH 2 O, etc. La presión es directamente proporcional a la concentración de moléculas de gas
DIFUSIÓN NETA DE LOS GASES
La difusión neta está determinada por las dos presiones parciales de un gas. Si la presión parcial es superior en la fase gaseosa de los alveolos (ej. oxígeno), entonces pasarán más moléculas a la sangre que en la dirección opuesta. A la inversa ocurre con el CO2. La difusión a través de la membrana celular puede ser: Difusión simple : es el movimiento de las moléculas a través de aberturas o de espacios intermoleculares de la membrana, sin necesidad de unión a proteínas transportadoras. Difusión facilitada : requiere la intervención de las moléculas o iones con una proteína transportadora que los ayuda a cruzar la membrana, mediante su unión química a esa proteína y posterior transporte a través de la membrana.
DIFUSIÓN PASIVA
C02, 02, N2 Oxígeno , Nitrógeno, C02 y alcoholes son sustancias que difunden libremente por su alta solubilidad (liposolubles). Canales proteicos Membrana
PROCESOS FÍSICOS RESPONSABLES DE LA RESPIRACIÓN
DIFUSIÓN: Es el movimiento de moléculas de un gas de una alta concentración a una baja concentración de acuerdo a sus presiones parciales individuales. CONVECCIÓN: Es el movimiento de un gas de una alta concentración a una baja concentración en función del movimiento del medio en que se encuentra dicho gas.
CAPACIDAD DE DIFUSIÓN
DEPENDE DE:
- El componente de membrana
- área de intercambio
- distancia de difusión
- presión parcial
- El componente sanguíneo
- tiempo de reacción Hb-O 2 (flujo sang.)
- concentración de Hb
TRANFERENCIA DE GASES
Limitado por Difusión: Se mantiene el gradiente y la transferencia de gas puede continuar. Sólo las características de la membrana alveolo capilar limitan este intercambio. Limitado por Perfusión: N2, CO2, O2: El gradiente se pierde rápidamente (PA=Pa). La transferencia del gas es función del flujo. Para que continúe el proceso de transferencia del gas DEBE fluir sangre adicional.
INTERCAMBIO GASEOSO LIMITADO POR DIFUSIÓN Y POR PERFUSIÓN
Equilibrio ventilación/perfusión se alcanza normalmente a los 0.25 seg. Limitada por difusión a nivel tisular:
P A = P CAP
TENSIÓN SUPERFICIAL O ALVEOLAR
Ventilación pulmonar al conjunto de procesos que hacen fluir el aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares a través de los actos alternantes de la inspiración y la espiración. Los factores que intervienen en esta mecánica son las vías aéreas internas, el diafragma, la cavidad torácica formada por la columna vertebral, el esternón y las costillas, así como la musculatura asociada. La ventilación se lleva a cabo por los músculos que cambian el volumen de la cavidad torácica, y al hacerlo crean presiones negativas y positivas que mueven el aire adentro y afuera de los pulmones. Durante la respiración normal, en reposo, la inspiración es activa, mientras que la espiración es pasiva. El diafragma, que provoca el movimiento de la caja torácica hacia abajo y hacia afuera, cambiando el tamaño de la cavidad torácica en la dirección horizontal, es el principal músculo inspiratorio. Otros músculos que participan en la ventilación son: los músculos intercostales, los abdominales y los músculos accesorios
LA TENSIÓN SUPERFICIAL DE LA INTERFASE AIRE LÍQUIDO
Si se inflaba un pulmón con líquido la presión que se necesitaba era mucho menor que cuando se utilizaba aire. Dedujo que esto se debía a que el líquido suprimía la interfase aire líquido y eliminaba la fuerza de tensión superficial. Cuando el alvéolo se expande con aire se genera una fuerza de tensión superficial que se opone al desplazamiento y que debe ser compensada por la presión de acuerdo donde p = presión; f = fuerza de la tensión superficial (alveolo) y r = radio del alveolo. Sin embargo el pulmón tiene un comportamiento peculiar. En primer lugar la fuerza de tensión superficial es menor que la que se desarrolla en una interfase aire plasma. Esto se explica por la existencia, en los alvéolos, de unas células, los neumocitos tipo II, que secretan un agente tensioactivo el surfactante pulmonar que modifica la tensión interfacial: a mayor concentración de surfactante, menor es la tensión superficial. En segundo lugar de la ley de Laplace se deduce que si la tensión superficial es constante, la presión de equilibrio tiene que ser mayor en los alvéolos pequeños que en los grandes. Como los alvéolos están intercomunicados, los más pequeños se vaciarían en los mayores y un sistema con alvéolos de distinto tamaño sería inestable. En particular en los alveolos pequeños la tensión superficial puede ser hasta diez veces menor que en los mayores. De esta manera, al cambiar el numerador y el denominador en la relación de Laplace se explica que puedan coexistir alvéolos de distinto tamaño con la misma presión intraalveolar. Este mismo fenómento también coopera en la histéresis que presenta el pulmón, al existir una diferencia entre la distensibilidad pulmonar durante la inflación y
los líquidos tengan tendencia a presentar al exterior la superficie más pequeña posible.
COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL
Se puede determinar la energía superficial debida a la cohesión mediante el dispositivo de la figura. Una lámina de jabón queda adherida a un alambre doblada en doble ángulo recto y a un alambre deslizante AB. Para evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de cohesión, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante. La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud x , las fuerzas exteriores han realizado un trabajo F x , que se habrá invertido en incrementar la energía interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en S= 2 d x (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía. Si llamamos a la energía por unidad de área, se verificará que la energía superficial por unidad de área o tensión superficial se mide en J/m^2 o en N/m. La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido. Tensión superficial de los líquidos a 20ºC
ELEVACIÓN Y DEPRESION CAPILAR
Meniscos En las proximidades de la pared de un recipiente, una molécula del líquido (señalada en color rojo) experimenta las siguientes fuerzas: Su peso, P La fuerza de cohesión que ejercen el resto de las moléculas del líquido sobre dicha molécula Fc. La fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared sobre la molécula del líquido Fa. En la figura de la derecha, se muestra la resultante de dichas fuerzas. La superficie es siempre normal a la resultante. Cuando las moléculas están alejadas de la pared, la resultante debida al peso y a las fuerzas de cohesión (las fuerzas de adherencia son despreciables) es vertical hacia abajo, la superficie es entonces, horizontal. Pueden ocurrir dos casos según sea la intensidad de las fuerzas de cohesión y adherencia. Que el líquido moje, por ejemplo, agua en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de adherencia son mucho mayores que las de cohesión. Que el líquido no moje, por ejemplo, mercurio en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia. En los líquidos que mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared, está dirigida hacia el interior de la pared (véase la figura de la derecha), por lo que la forma de la superficie del líquido es cóncava. (menisco cóncavo). En los líquidos que no mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared, está dirigida hacia el interior del líquido, por lo que la forma del la superficie del líquido será convexa (menisco convexo).
