Intercambio de gases
El intercambio de gases es el proceso por el que el oxígeno y el dióxido de carbono se mueven entre el torrente sanguíneo y los pulmones. Esta es la función principal del sistema respiratorio y es esencial para asegurar un suministro constante de oxígeno a los tejidos, así como para eliminar el dióxido de carbono para evitar su acumulación.
En este artículo se analizarán los principios del intercambio de gases, los factores que afectan a la tasa de intercambio y las condiciones clínicas relevantes.
Física de la difusión de gases
El movimiento de los gases en un espacio contenido (en este caso, los pulmones) es aleatorio, pero la difusión general da lugar a un movimiento desde las zonas de alta concentración a las de baja concentración. La velocidad de difusión de un gas se ve afectada principalmente por el
- gradiente de concentración: Cuanto mayor sea el gradiente, más rápida será la velocidad.
- Superficie de difusión: Cuanto mayor sea la superficie, más rápida será la velocidad.
- Longitud de la vía de difusión: Cuanto mayor sea la longitud de la vía, más lenta será la velocidad.
La colisión de las moléculas de gas con las paredes del recipiente da lugar a una presión. Esto se define por la ley de los gases ideales, dada en la siguiente ecuación:
(n representa el número de moles, R la constante de los gases (8.314), T la temperatura absoluta y V el volumen del recipiente)
Fig 1 – Ecuación para calcular la presión de un gas en un recipienteDifusión de los gases a través de los gases
Cuando los gases difunden a través de otros gases (como en los alvéolos), su velocidad de difusión puede definirse mediante la Ley de Graham:
«La velocidad de difusión es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar a idéntica presión y temperatura»
En otras palabras, cuanto menor sea la masa de un gas, más rápidamente se difundirá.
Difusión de gases a través de líquidos
Cuando los gases se difunden a través de líquidos, por ejemplo a través de la membrana alveolar y en la sangre capilar, la solubilidad de los gases es importante. Cuanto más soluble sea un gas, más rápido se difundirá.
La solubilidad de un gas se define mediante la ley de Henry, que establece que:
«La cantidad de gas disuelto en un líquido es proporcional a su presión parcial sobre el líquido».
Si suponemos que las condiciones de temperatura y presión para todos los gases permanecen fijas (como ocurre a grandes rasgos en los alvéolos), entonces son las diferencias inherentes entre los distintos gases las que determinan su solubilidad.
El dióxido de carbono es intrínsecamente más soluble que el oxígeno y, por tanto, se difunde mucho más rápido que éste en el líquido.
Ley de Fick
La ley de Fick nos da una serie de factores que afectan a la velocidad de difusión de un gas a través de un fluido:
- La diferencia de presión parcial a través de la barrera de difusión.
- La solubilidad del gas.
- El área de la sección transversal del fluido.
- La distancia que necesitan las moléculas para difundirse.
- El peso molecular del gas.
- La temperatura del fluido – no es importante dentro de los pulmones y puede asumirse que es de 37oC.
En los pulmones, mientras que el oxígeno es más pequeño que el dióxido de carbono, la diferencia de solubilidad significa que el dióxido de carbono difunde aproximadamente 20 veces más rápido que el oxígeno.
Esta diferencia entre la velocidad de difusión de las moléculas individuales se compensa con la gran diferencia de presiones parciales del oxígeno, creando un gradiente de difusión mayor que el del dióxido de carbono.
Sin embargo, esto significa que en los estados de enfermedad que deterioran la capacidad de los pulmones para ventilar adecuadamente con oxígeno, el intercambio de oxígeno suele verse comprometido antes que el de dióxido de carbono.
Difusión de oxígeno
La presión parcial de oxígeno es baja en los alvéolos en comparación con el entorno externo. Esto se debe a la difusión continua del oxígeno a través de la membrana alveolar y al efecto de dilución del dióxido de carbono que entra en los alvéolos para salir del cuerpo.
A pesar de ello, la presión parcial sigue siendo mayor en los alvéolos que en los capilares, lo que da lugar a una difusión neta en la sangre. Una vez que se ha difundido a través de las membranas alveolares y capilares, se combina con la hemoglobina. Esto forma la oxihemoglobina, que transporta el oxígeno a los tejidos que respiran a través del torrente sanguíneo.
Puede encontrarse más información sobre el transporte de oxígeno dentro de la sangre aquí.
Durante el ejercicio, la sangre pasa hasta la mitad del tiempo normal (un segundo en reposo) en los capilares pulmonares debido al aumento del gasto cardíaco que mueve la sangre por el cuerpo más rápidamente. Sin embargo, la difusión de oxígeno se completa en medio segundo desde que la célula sanguínea llega al capilar, lo que significa que el ejercicio no está limitado por el intercambio de gases.
Fig. 2 – Diagrama que muestra las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en el sistema respiratorioDifusión de dióxido de carbono
La presión parcial de dióxido de carbono en los capilares es mucho mayor que en los alvéolos. Esto significa que se produce una difusión neta hacia los alvéolos desde los capilares. El dióxido de carbono puede entonces ser exhalado ya que la presión parcial en los alvéolos es también mayor que la presión parcial en el ambiente externo.
El dióxido de carbono es transportado en la sangre de múltiples maneras; incluyendo disuelto, asociado con proteínas y como iones de bicarbonato. Se puede encontrar más información sobre el transporte de dióxido de carbono en la sangre aquí.
Barrera de difusión
La barrera de difusión en los pulmones consta de las siguientes capas:
- Epitelio alveolar
- Líquido tisular
- Endotelio capilar
- Plasma
- Membrana de los glóbulos rojos
Fig 3 – Diagrama que muestra las capas que componen la barrera de difusión en los pulmonesFactores que afectan a la velocidad de difusión
Hay muchas propiedades que pueden afectar a la velocidad de difusión en los pulmones. Los principales factores son:
- Grosor de la membrana: cuanto más fina sea la membrana, más rápida será la velocidad de difusión. La barrera de difusión en los pulmones es extremadamente delgada, sin embargo, algunas condiciones causan el engrosamiento de la barrera, perjudicando así la difusión. Algunos ejemplos son:
- Líquido en el espacio intersticial (edema pulmonar).
- Engrosamiento de la membrana alveolar (fibrosis pulmonar).
- Superficie de la membrana: cuanto mayor sea la superficie, más rápida será la velocidad de difusión. Los pulmones tienen normalmente una superficie muy grande para el intercambio de gases debido a los alvéolos.
- Las enfermedades como el enfisema provocan la destrucción de la arquitectura alveolar, lo que lleva a la formación de grandes espacios llenos de aire conocidos como bullas. Esto reduce la superficie disponible y disminuye la tasa de intercambio de gases.
- Diferencia de presión a través de la membrana
- Coeficiente de difusión del gas
Relevancia clínica – Enfisema
El enfisema es una enfermedad crónica y progresiva que provoca la destrucción de los alvéolos pulmonares. El resultado es una superficie muy reducida para el intercambio de gases en los pulmones, lo que suele provocar hipoxia (insuficiencia respiratoria de tipo 1).
El principal síntoma del enfisema es la falta de aire, aunque los pacientes también pueden experimentar sibilancias, tos persistente u opresión en el pecho. El enfisema, junto con la bronquitis crónica, son las afecciones que conforman la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Aunque el tabaquismo es la causa más común, otros factores de riesgo son la exposición al humo de segunda mano, la exposición a humos o polvo en el trabajo y el hecho de vivir en zonas con altos niveles de contaminación.
El tratamiento depende de la fase en que se encuentre la enfermedad (es decir, del grado de los síntomas y de la obstrucción de las vías respiratorias), pero suele incluir:
- Dejar de fumar.
- Broncodilatadores para reducir la constricción bronquial.
- Corticosteroides inhalados para reducir la inflamación de las vías respiratorias.
- Antibióticos y esteroides orales para las exacerbaciones de la enfermedad.
- Oxigenoterapia a largo plazo (LTOT) en la enfermedad progresiva grave.
Fig 4 – Pulmones enfisematosos