BIOFISICA DE LA RESPIRACION NÉSTOR LOPEZ A.Docente UCSUR

INTRODUCCIÓN

• La ventilación y la perfusión pulmonar y latransferencia de los gases obedecenestrictamente fuerzas físicas, tal vez más queen ningún otro sistema vital. Por ello espreciso revisar primero algunos principiosbásicos de la física de los gases.

TRES PRINCIPIOS FÍSICOS DE LOS GASES

1. El gas ocupa un VOLUMEN (V). 2. El gas ejerce una PRESION (P) dentro de

este volumen. La frecuencia de la colisión de las moléculas

contra las paredes del recipiente determina la presión.

3. El gas tiene una TEMPERATURA (T). La temperatura determina la velocidad del movimiento y colisión de las moléculas del gas.

LAS LEYES DE LOS GASES

• 1. La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones de los gases individuales (ley de Dalton).

• 2. Los gases, solos o en una mezcla, se desplazan desde áreas de mayor presión hacia áreas de menor presión.

• 3. Si se modifica el volumen de un recipiente que contiene gas, la presión del gas cambiara de manera inversa (Ley de Boyle)

El AIRE ES UNA MEZCLA DE GASES

• La atmosfera que rodea la tierra es una mezcla de gases y vapor de agua.

• Por ejemplo, dado que el oxígeno constituye alrededor de 21% de la atmósfera,

• su presión parcial (que se abrevia PO2) es de 21% de 760, o alrededor de 159 mm Hg.

• El nitrógeno constituye aproximadamente 78% de la atmósfera, de modo que su presión parcial es igual a 0.78 × 760 = 593 mm Hg.

• De este modo, estos dos gases contribuyen a alrededor de 99% de la presión total de 760 mm Hg:

El AIRE ES UNA MEZCLA DE GASES

P atmosfera seca = PN2 + PO2 + PCO2 = 760 mm Hg

GASES

GAS IDEAL (DILUIDO)

Son los gases que intervienen en la

respiración entre las fases liquidas y

gaseosas.

INTERACCION

Una cantidad de gas ocupa un volumen

definido a una presión y temperatura

dadas.

EXPANSION

Una cantidad de gas no posee volumen o

una densidad definida, sino que se

expande hasta llenar el recipiente en el

que este contenido.

MOVIMIENTO

Son sustancias cuyas moléculas están en

constante movimiento, ejercen presión y

generan calor o temperatura.

GASES

MASA (M)

Representa el tamaño del número de

moléculas. Cuando actúan contra

gravedad tienen peso.

VOLUMEN (V)

Es el espacio ocupado por un gas. Si un

gas se comprime, su presión y volumen

se modificarán de acuerdo a las leyes de

los gases.

DENSIDAD

Las densidades se pueden relacionar

con la masa y el volumen porque

cuando M sea igual a la masa atómica y

V al volumen molecular.

GASES

TEMPERATURA

Es un propiedad física de los gases, representael movimiento molecular. A temperaturas elevadas

las moléculas se mueven más rápido lo cual va agenerar mas calor.

°K = °C + 273

0°K = -273 Celsius

37°C = 310° K

0° C = 273°K

Fisiología del Sistema Respiratorio

• Propiedades de los Gases• La temperatura es un propiedad física

• de los gases. A temperaturas altas sus• moléculas se mueven más rápido• La temperatura se puede expresar en• Grados Kelvin °K = °C + 273• En escala K, 0°K = -273 Celcius• 0° C = 273°K• 37°C = 310° K

GASES

PRESIONEs la fuerza que ejerce las moléculas en unárea especifica, determinada por la

frecuencia de movimiento molecular

contra la superficie.

En fisiología pulmonar la presión de un gasse expresa en mmHg o en Torr.

1 mmHg =1TorrLa presión del aire a nivel del mar es igual a760 mmHg.La presión de un gas disuelto en líquido sellama tensión del gas.

Los fisiólogos de la respiración se refieren aveces a las presiones de gas en unidadesde centímetros de agua1 mmHg =1Torr = 1.36 cm H2O

GASES

PRESION DEL VAPOR DE AGUA

(PH2O)Corresponde al agua en fase gaseosa.El vapor de agua ejerce presión.La presión de vapor de agua depende de latemperatura.El aire inspirado después de su paso por lasvías respiratorias superiores se encuentrasaturado con vapor de H2O.

La presión del gas húmedo inspirado, en una

persona con 37 °C de temperatura corporal

será:

En Lima donde PB = 760 mmHg:

Presión gas seco inspirado = 760 - 47 =

713 mmHg

En Cusco PB = 480 mmHg:

Presión gas seco inspirado = 480 - 47 =

433 mmHg

GASES

GASES

PRESION ATMOSFERICAEs la presión que ejerce el aire sobre la Tierra.A nivel del mar el valor promedio es una atmosfera (760mmHg).

1643, E.Torricelli

1648, Pascal, Pelier

GASES CAPAS FENOMENOS

EXOSFERA Vacío casi absoluto. Zona de

circulación de satélites aerofisicos.

IONOSFERA Producción de iones. Capas

electrizadas. Reflejan ondas

radio. Auroras y bólidos

MESOSFERA Producción de iones. Transformación

de los rayos cósmicos primarios en

secundarios.

ESTRATOSFERA Aire en calma. Nubes irisadas.

TROPOSFERA Fenómenos meteorológicos: nubes,

vientos, lluvia, etc.

Zona Fisiológica: 0 – 10 000 pies

Porcentaje por volumen

Gas Volumen

Nitrógeno (N2) 78,084%

Oxígeno (O2) 20,946%

Argón (Ar) 0,9340%

Dióxido de carbono (CO2) 0,039%

Neón (Ne) 0,001818%

Helio (He) 0,000524%

Metano (CH4) 0,000179%

Kriptón (Kr) 0,000114%

Hidrógeno (H2) 0,000055%

Óxido nitroso (N2O) 0,00003%

Monóxido de carbono (CO) 0,00001%

Xenón (Xe) 0,000009%

Ozono (O3) 0 a 7×10−6%

Dióxido de nitrógeno (NO2) 0,000002%

Yodo (I2) 0,000001%

Amoníaco (NH3) trazas

No incluido en aire seco:

Vapor de agua (H2O)~0,40% en capas altas de la atmósfera

1% a 4% normalmente en la superficie.

GASES

Altura (msnm) PB (Torr) PiO2 (Torr)

0 760 149

1500 630 122

2500 564 108

3000 523 100

3600 483 91

4600 412 76

5500 379 69

6100 349 63

7300 280 52

8848 253 43Adaptado de El Reto Fisiológico de Vivir en los Andes. Cap. 1, Pág.31, UPCH, 2003, Lima-Perú.

CALCULANDO.

• La presión parcial de un gas se obtiene multiplicando su concentración por la presión total

• Ejemplo: el aire seco tiene un 20.93% de O2 su presión parcial (Po2) a nivel del mar 760 mm Hg. Entonces.

20.93 /100 x 760= 159 mmHg

Presión parcial de 02 inspirado

• La presión parcial de un gas se obtiene multiplicando su concentración por la presión total

• Ejemplo: el aire seco tiene un 20.93% de O2 su presión parcial (Po2) a nivel del mar 760 mm Hg. Entonces:

20.93 /100 x 760= 159 mmHg

Cuando el aire entra en la vías respiratorias superiores, se caliente y humedece y la presión del vapor de agua es entonces 47mmHg . De modo que la presión total del aire seco es de 760 mmHg Entonces:

760-47= 713 mmHg La Po2 del aire inspirado es por lo tanto, de

20.93/100 x 713= 149 mmHg.

PO2 =21% 150 mmHgPO2 = 31,5 mmHg

PO2 =21% 300 mmHgPO2 = 63 mmHg

PO2 =21% 500 mmHgPO2 = 105 mmHg

PO2 =21% 760 mmHgPO2 = 159,6 mmHg

GASES

ALTITUD

Distancia vertical

entre un nivel,

punto u objeto

considerado como

punto, y el nivel

medio del mar.

ALTURA

Distancia vertical

entre un punto y la

superficie de la

tierra o cualquier

otro punto de

referencia.

LEYES DE LOS GASES

LEY DE BOYLE - MARIOTTE

P1V1 = P2V2

•A temperatura constante el producto de la presión por el volumen de un gas es constante.•La presión de una masa de gas es inversamente proporcional a su volumen (a temperatura constante).

Cuando el alvéolo aumenta su volumen debido a la tracción del tórax, la presión dentro del mismo disminuye, como lo expresa esta ley y permite el flujo desde la atmósfera.

Es decir, mientras menos volumen ocupe un gas, las moléculas estarán más concentradas y ejercerán mayor presión. (¿Alguna vez se quedó encerrado en un ascensor lleno de gente?).

EJEMPLO

• Considere u recipiente de un litro (V1) de un gas cuya presión es de 100 mmHg (P1) ¿ que le sucederá a la presión del gas cuando la tapa del recipiente desciende disminuyendo el volumen a 0.5 L? de acuerdo con nuestra ecuación

100 mmHg x 1L = P2 x 0.5L

P2 200 mmHg

• Esta relación presión volumen fue identificada por primera ves en el siglo XVIII

P1V1 = P2V2

LEYES DE LOS GASES

LEY DE CHARLES

V1 / T1 = V2 / T2

Si la presión de un gas es constante, el volumen y la temperatura varían en formadirectamente proporcional.

V1: Volumen inicial

T1: Temperatura inicial

V2: Volumen final

T2: Temperatura final

Para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la

temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen

del gas disminuye.

En 1787, el físico frances J. Charles propuso porprimera vez la relación proporcional entre el volumeny la temperatura de los gases a presión constante.

A presión constante el volumen de un gas aumenta con la temperatura.

LEYES DE LOS GASES

LEY DE AVOGADRO

El número de Avogadro = 6.023 x 1023 es el número de moléculas en una masa de gas igual a su peso molecular en gramos.

Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas

condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas.

PM O2 = 32g, entonces 32g O2 contienen 6.023 x 10 23 moléculas

LEYES DE LOS GASES

LEY DE GAY-LUSSAC

P1 / T1 = P2 / T2

Si el volumen de un gas se mantiene constante, la presión y la temperatura varían en formadirectamente proporcional.

P1: Presión inicial

T1: Temperatura inicial

P2: Presión final

T2: Temperatura final

Para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la

temperatura, la presión del gas aumenta y al disminuir la temperatura la presion del

gas disminuye.

Ley de Boyle- Mariotte(isotérmica)“A temperatura absoluta constante, el volumen que ocupa una muestra de un gas, varia en forma inversamente proporcional a la presión que esta sometido dicho gas."

LEYES DE LOS GASES

ECUACIÓN GENERAL DE LOS GASES

PV = RTn

P: Presión (mmHg)V: Volumen (L)n: moles del gas (mol)R: Constante universal de los gasesT: Temperatura (K)

• Ley de Boyle: V α1/P (a n y Tconstantes)

• Ley de Charles: V αT (a n y Pconstantes)

• Ley de Avogrado: V αn (a P y Tconstantes)

V α nT/P

V = RnT/P

LEYES DE LOS GASES

LEY DE DALTON

PT = P1 + P2 + P3 + …..

Expresa que, así como nuestros problemas, los gases tienden a ocupar el espacio del recipiente que uno les deje.

•En una mezcla de gases la presión total es igual a la suma de las presiones parciales de los gases componentes.•Si hay una mezcla de ellos, cada uno participa con una fracción de la presión total, denominada presión parcial.

PT: Presión total de los gases en la mezclaP1: Presión parcial del gas 1 en la mezclaP2: Presión parcial del gas 2 en la mezclaP3: Presión parcial del gas 3 en la mezcla

La suma de las presiones individuales de los gases en el aire será igual a la presión

atmosférica (PB).

PB = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2

¿Cuál será la

presión de oxigeno

en el monte Everest?

Podemos Concluir

BTPS

Temperatura corporal, presión del gas saturada con vapor de agua a

temperatura corporal (37° C = 47 mmHg).

ATPS, BTPS, STPD

LEYES DE LOS GASES

Formas de expresar las características de los gases en diferentes

condiciones

ATPSTemperatura ambiente y presión del gas saturada con vapor de agua a latemperatura del ambiente (25°C = 24 mmHg).

STPDCondiciones estándar de temperatura, presión y aire seco; es decir, no saturadopor vapor de agua.

Podemos convertir las medidas de un gas

tomadas por un espirómetro (ATPS) a

condiciones corporales (BTPS).

“La misma cantidad de aire ocupa un

volumen diferente dentro de los pulmones y

en el espirómetro”

LEYES DE LOS GASES

LEYES DE LOS GASES

CONDICIONES ATPS

• V1: Volumen del gas colectado

por el espirómetro

• T1: T °C (ambiental) + 273 °K

• T1: 25 + 273 °K

• T1: 298 °K

• P1: Patm – PH2O(a temperatura

ambiental)

• P1: 760 – 24 mmHg

• P1: 736 mmHg

CONDICIONES BTPS

• V2: Volumen del gas a ser

determinado

• T2: T °C (corporal) + 273 °K

• T2: 37 + 273 °K

• T2: 310 °K

• P2: Patm – PH2O(a temperatura

corporal)

• P2: 760 – 47 mmHg

• P2: 713 mmHg

REPRESENTACION ESQUEMATICA DE UN ALVEOLO Y UN CAPILAR PULMONAR CERCANO

Patm = 760 mmHg

PPO2= 21% 760 mmHg

PPO2= 159.6 mmHg

PIO2= 21% (Patm – PH2O)

PIO2= 21% (760 – 47) mmHg

PIO2= 149.73 mmHg

PAO2= 21% (Patm – PH2O) – PACO2

/R

PAO2= 21% (760 – 47) – 50

PAO2= 99.73 mmHg

Según la ecuación simplificada del aire alveolar, la presión alveolar de O2 en condiciones de ventilación normal y a

nivel del mar es:

LEYES DE LOS GASES

LEY DE FICK

Si un paciente presenta engrosamiento de la membrana alveolo-capilar, ¿qué estrategia puede utilizar manipulando alguno de los otros parámetros para mejorar la difusión de oxígeno?

Vx: Volumen de gas transferido por unidad de tiempoD: Coeficiente de difusión del gasA: Area de superficieΔP: Diferencia de presión parcial del gasΔX: Espesor de la membrana

•Permite caracterizar la difusión de gases y otras sustancias a través de las membranas biológicas.

LEYES DE LOS GASES

LEY DE GRAHAM

La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de peso molecular.

Las densidades se pueden

relacionar con la masa y el

volumen porque cuando M sea

igual a la masa (peso) v

molecular y v al volumen

molecular, podemos establecer

la siguiente relación entre las

velocidades de difusión de

dos gases y su peso

molecular:

LEYES DE LOS GASES

LEY DE HENRY

C= K x P

El volumen de un gas disuelto en un líquido es proporcional a su presión parcial.

A mayor presión, mayor volumen del gas estará disuelto en el líquido. Esto explica por qué en una botella de champaña o gaseosa no se ven burbujas hasta que se destapa.

C: Concentración del gas disuelto (ml de gas/ 100 ml sangre)K: Constante de solubilidad del gas en sangre P: Presión parcial del gas

Esto mismo les ocurre a los buzos con respecto al nitrógeno cuando ascienden bruscamente de grandes profundidades (enfermedad por descompresión).

La brusca disminución de la presión (pasa de hiperbárica a atmosférica) hace que las moléculas de gas disueltas en el líquido vuelvan al estado gaseoso y burbujeen.

¿Cuál es la concentración

del O2 disuelto en la

sangre?

Concentración de O2 = PO2 x Solubilidad

= 100 mmHg x 0.003 mL de O2 /100 mL de sangre / mmHg

= 0.3 mL / 100 mL de sangre

LEYES DE LOS GASES

LEY DE LAPLACE-YOUNG

Permite explicar el comportamiento de los alvéolos (originalmente fue enunciada para burbujas de jabón), de los aneurismas de la aorta y de la pared ventricular. entre otros.

P: Presión necesaria para mantener el alveolo abierto T: Tensión superficial R: Radio del alveolo

La presión que tiende a colapsar un alveolo es directamente proporcional a la tensión superficial generada por las moléculas de liquido que revisten el alveolo. Pero es inversamente proporcional al radio alveolar.

LEY DE LAPLACE-YOUNG

GRACIAS