Dr. Abelardo Machaca Quiroga

BIOFISICA DE LOS GASES

Definición

Se denomina gas: “al estado de agregación de la materia en el que las sustancias no tienen forma ni volumen propio, adoptando el de los recipientes que las contienen”. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras.

Propiedades

Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a que se mueven las moléculas.

Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene. Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las

contiene. Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios

vacíos entre unas moléculas y otras.

Las características de los tres estadosBasadas en descripciones macroscópicas, es decir, que pueden constatarse sin utilizar más que los propios sentidos humanos sin ayudas auxiliares, son las siguientes:Gases: Carecen de forma definida. No poseen un volumen propio.

Son expansibles y compresibles, es decir, tienden a ocupar totalmente el recipiente en el que se introduzcan, y si se reduce el volumen del recipiente, el gas se comprime fácilmente y se adapta al menor volumen.

Líquidos: Carecen de forma definida. Poseen su propio volumen definido. Son poco o nada compresibles y expansibles.

Sólidos: Tienen forma propia. Tienen un volumen definido.

No son compresibles ni expansibles, a no ser que se ejerza sobre ellos fuerzas de gran intensidad.

Fluidos

El aire y la sangre son fluidos, que circulan por los sistemas respiratorio y circulatorio, respectivamente.

Respiramos aire atmosférico

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la tierra y está compuesta por:

20,93 % de O2

0,03 % de CO2

79,04 % de N2 y otros gases inertes

Si hay vapor de agua, disminuyen proporcionalmente todos los porcentajes.

¿Qué es la sangre?

Fluido rojo, opaco, constituido por :

Elementos celulares (glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas) suspendidos en un medio acuoso amarillento (plasma).

Plasma: proteínas, hidratos de carbono, lípidos, electrolitos, productos metabólicos, gases, en solución acuosa.

Respiración externa: función

Intercambio de

gases entre el cuerpo y el exterior: absorción de O2 y remoción de CO2O2 CO2

Circulación sanguínea: función

A través del árbol circulatorio la sangre transporta a los tejidos las sustancias absorbidas en el tubo digestivo y el O2 absorbido en los pulmones

Transporta CO2 a los pulmones y otros productos metabólicos a los riñones.

Además: regula la temperatura corporal, distribuye hormonas y otras sustancias que regulan las funciones celulares.

Sistema respiratorio: anatomía

Organos de la cavidad torácica

Bronquiolo y alvéolos

Sistema circulatorio: anatomía

1. Órgano de bombeo: el corazón

2. Vasos que conducen y distribuyen la sangre: arterias y arteriolas

3. Lugar donde se realiza el intercambio: los capilares

4. Los vasos de retorno: vénulas y venas

El corazón

Circulación arterial y venosa

¡Y ahora un poco de biofísica!

Ley de Boyle

A temperatura constante, la presión ejercida por un gas es inversamente proporcional a su volumen

P1.V1 = P2.V2

Ley de DaltonLa presión total ejercida por una mezcla de gases, es igual a la suma de las presiones parciales de cada una de ellos.

PT= pa+ pb+ pc

Presión parcial de un gas en una mezcla, es la que tendría dicho gas si a igual T se encontrara solo, ocupando todo el volumen.

p= PT x fracción molar

• Los gases difunden en medio líquido o gaseoso de acuerdo a un gradiente de energía que se puede expresar por una diferencia de presiones parciales. Los gases se mueven de una región de mayor

presión parcial a otra de menor.La velocidad de difusión de los gases es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar:

Cómo es la velocidad de difusión del O2 (PM= 32g/mol) con respecto al CO2 (PM= 44 g/mol)?

Ley de Graham (difusión en fase gaseosa)

¿Cómo es la composición del aire atmosférico?

Aire seco: 0,7/5 O2 0,3/5 CO2 4/5 N2 fracción despreciable de otros gases

Fracción variable de vapor de agua: en el interior el aire se satura de vapor de agua

Torr O2 N2 CO2 H2O

Aire atmosf 157 583 0,23 12,2

Aire alveolar 100 573 40 47

Aire espirado 118 565 32 47

Obedece la 1ª ley de FICK (modificada a presiones parciales)

m= densidad de flujo (J / Á)∆x = espesor de la lámina(P1-P2) = diferencia de presiones parcialesD= cte de difusión

m = D (P1-P2) ∆x

Pulmones humanos: superficie 50 a 100 m2

espesor 0,5 µmAdecuado para una rápida difusión

D α S ѴPMD depende de la estructura de la lámina y de la especie del gas

Para cierto tejido:S CO2 > S O2

INTERCAMBIO ALVÉOLO -CAPILARDos procesos involucrados: - difusión de los gases

- disolución de los gasesocurridos en barrera alvéolocapilar como en sangre

DIFUSIÓN

DisoluciónObedece la Ley de Henry

A una temperatura constante, el volumen de gas disuelto en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial que ejerce ese gas sobre la superficie del líquido. Matemáticamente se formula del siguiente modo:

donde:p es la presión parcial del gas. c es la concentración del gas. k es la constante de Henry, que depende de la naturaleza del gas, la temperatura y el líquido.

Los fluidos circulan desde áreas con mayor presión hacia áreas con menor presión

La fuerza impulsora para el movimiento de un fluido es una diferencia de presión (P)

Presión de un gas

Fuerza ejercida por el choque de las moléculas sobre la superficie del recipiente que las contiene.

F P = S Unidades: dina / cm2 (Baria) Newton / m2 (Pascal)

Presiones parciales

En una mezcla de gases, cada gas ejerce una presión parcial, que es la que ejercería ese gas si sólo él ocupara todo el volumen.

Ptotal = p1 + p2 + .......... + pn (Ley de Dalton)

La presión parcial es proporcional a la fracción molar (xi) del gas en la mezcla

xi = ni / n1 + n2 +....+nn pi = xi . Ptotal

Presión atmosférica

La atmósfera (capa gaseosa que rodea a la tierra) ejerce una fuerza (su peso) sobre la superficie terrestre.

A nivel del mar la presión es de 760 mm de mercurio, y disminuye con la altura.

P atm760 mm

mercurio

P = .h

Presiones parciales de los gases atmosféricos (en mmHg)

Aire seco Aire saturado con vaporde H2O a 37°C

O2 160 149

CO2 0.3 0.3

N2 y otros 600 564

H2O 47

Presión, volumen, temperatura A temperatura

constante, la presión que ejerce una masa gaseosa es inversamente proporcional a su volumen (ley de Boyle):

P.V = constante

Presión transmural (Ptr)Es la diferencia entre la presión en la cavidad de un órgano (Pi) y la exterior (Pe)

Está relacionada con la tensión de la pared (T). Para mantener un volumen constante, la retracción elástica debe ser contrarestada por la presión transmural:

Ptr = Pi - Pe

PtrPtr

T

rr

TT = P . r T = P . r

2

Presión transpulmonar y fuerzas de retracción elástica

Mecánica respiratoria

Inspiración: ingreso de aire a los pulmones como consecuencia de la expansión de la cavidad torácica por contracción de los músculos inspiratorios (diafragma e intercostales externos). Proceso activo.

Espiración: salida de aire de los pulmones como consecuencia de la compresión de la cavidad torácica por relajación de la musculatura inspiratoria y retracción elástica de los pulmones. Proceso pasivo.

Volúmenes pulmonares

Ciclo respiratorio

Distensibilidad de los pulmones y la caja torácica

V P = distensibilidad

o adaptabilidad

Es una medida estática de la retracción pulmonar y del tórax.

Volúmenes y Capacides PulmonaresInspiración

Espiración

Vol. Tidal o Corriente (VT o VC): cantidad de aire que entra o sale del sistema respiratorio en un ciclo ventilatorio (500 ml en un adulto joven)Vol. de Reserva Inspiratoria (VRI): cantidad adicional que se puede inspirar por encima del VC (1500 ml)Vol. de Reserva Expiratoria (VRE): volúmen adicional que se puede espirar luego de espiración normal (1500 ml)Vol. Residual (VR): aire remanente luego de una espiración máxima. (1500 ml)

Volumenes Pulmonares

VRI (volumen reserva inspiratorio) 1500

cm3

VC (volumen corriente) 500 cm3

VRE (volumen reservaespiratorio) 1500 cm3

VR (volumen residual) 1500 cm3

VOLUMENESPULMONARES

Cap. Inspiratoria (CI): vol. máximo de gas que puede ser inspirado desde la CRF (4,000ml). Cap. Residual Funcional (CRF): cantidad de gas remanente en los pulmones al final de una espiración pasiva (normal) con la glotis abierta y los músculos relajados (2,700ml).Capacidad Vital (CV): vol. que puede ser espirado luego de una inspiración máxima (5,500ml).Cap. Pulmonar Total (CPT): cantidad de aire en los pulmones luego de una inspiración máxima (6,700ml)

Capacidades Pulmonares

Elementos del sist resp que participan en la mecánica de la respiración

VA

P

C T

Pl 3 paredes

Presiones transmurales (ptm)

PTM tp = PTM t + PTM p

PTM = interior - exterior

PTM p (Pulmonar) = P alveolar - P pleural

PTM t (torácica) = P pleural - P atmosférica

PTM tp (toracopulmonar) = P alveolar - P atmosférica

1 mm de Hg = 1.34 cm H2O

P=2T/RLaplace

PP

Los alvéolos tienen distintos tamaños

A menor R mayor P

• Fosfolípido (Dipalmitoil fosfatidil colina) • Secretado por pneumocitos tipo II• Recubre la superficie del alveolo

El surfactante pulmonar

Propiedades:

Disminuye la tension superficial (agente tensioactivo)

70 mN/m a 30 mN/m (sin surf) (con surf)

Importancia fisiológica del surfactante

• Aumenta la distensibilidad pulmonar• Estabiliza el alveolo y previene el colapso• Mantiene seco el alveolo:

– La T Superficial tiende a introducir líquido al interior de la “burbuja”

Presión hidrodinámica

Al ser impulsada por el corazón la sangre adquiere presión hemodinámica, compuesta por dos términos:

Presión hidrostática (hemostática) o presión lateral (P), ejercida contra las paredes de los vasos.

Presión cinemática (Pc), ejercida sobre un plano perpendicular a la dirección de circulación, y debida a la energía cinética recibida ( Pc = ½ . V2)

Trabajo del corazón

En cada contracción (sístole) el ventrículo izquierdo introduce contra presión en la aorta unos 70 ml de sangre y les entrega energía cinética:

W = P.V + ½ m. V2

Como la frecuencia cardíaca es de 70-80 latidos por minuto, tenemos un caudal o flujo sanguíneo de 5 litros / minuto.

Caudal, presión y resistenciaEl caudal sanguíneo (C) es constante.La presión hemostática va disminuyendo a medida que la sangre se aleja del corazón, debido a la resistencia.

P C = Cuanto mayor es la resistencia (R),

R mayor es la caída de presión (P).

P1P2

P = P1 - P2

Resistencia (R)Las fuerzas de rozamiento se oponen a la circulación de la sangre haciéndole perder energía en forma de calor:Rozamiento entre la sangre y las paredes del vaso (resistencia vascular). Rozamiento entre sucesivas capas del líquido (viscosidad ) Para un tubo cilíndrico en régimen laminar: 8. L . R = . r4

Viscosidad de la sangre

Tiene un valor de 0,045 Poisse. (versus 0,01 Poisse para el agua). Este aumento se debe a:

hematocrito (porcentaje del volumen de la sangre ocupado por los glóbulos rojos)

las proteínas la resistencia a la deformación de los glóbulos

rojos.

Régimen laminar y turbulento

Re < 2000 Re > 2000

Re =V . . r

Número de Reynolds

Velocidad de la sangre

El caudal sanguíneo es constante pero la velocidad es inversamente proporcional a la sección del lecho vascular (sección transversal completa a cierta distancia del corazón).

C = v . s

La sección transversal aumenta de 4,5 cm2 en la aorta a 4500 cm2 en los capilares.

Cambios de Presión y velocidad media

Resistencia al flujo de aire

PR = F

Diferencia de presión requerida para una unidad de flujo aéreo

La resistencia se debe a:• viscosidad del aire y su rozamiento con las vías

aéreas• fuerzas de fricción que se oponen al movimiento

de los tejidos pulmonares y de la pared torácica.

Velocidad del aire en los pulmones

Como ocurre con los vasos sanguíneos, el sistema respiratorio se ramifica y va aumentando progresivamente la sección transversal total: es de 70 m2 a nivel de los alvéolos.

La baja velocidad del aire a este nivel favorece el intercambio de O2 y CO2 con la sangre.

Intercambio gaseoso en el pulmón

Los gases difunden desde donde tienen mayor presión parcial hacia donde la presión parcial es menor: el O2

continuamente difunde desde el aire alveolar hacia la sangre y el CO2 continuamente difunde hacia los alvéolos desde la sangre.

Intercambio de moléculas a través de los capilares sanguíneos

En detalle

GRACIAS