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BIOFÌSICA DEL

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on 4 September 2013

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BIOFISICA DEL SISTEMA
RESPIRATORIO

Parte del aire que respira una persona nunca llega a las zonas de intercambio gaseoso, sino que llena las vías aéreas en las que no se produce intercambio gaseoso: la nariz, la faringe y la tráquea; este aire se le denomina aire del espacio muerto porque no es útil para el intercambio gaseoso. Y como en la espiración se expulsa primero el aire del espacio muerto, antes de que el aire procedente de los alvéolos llegue a la atmósfera por lo tanto es desventajoso para retirar los gases espiratorios de los pulmones.

¿Cuáles son
las
Funciones
Principales
de la Respiración?

1- Ventilación pulmonar.

2.Difusión de Oxígeno y
Dióxido de carbono entre
los alvéolos y la sangre.
3- Transporte Oxígeno y CO2
en la sangre y los líquidos
corporales.

4-Regulación de la ventilación
y otras facetas de la Respiración.

DESDE EL PUNTO DE
VISTA ANATÓMICO


¿Cómo esta constituido el sistema respiratorio?
Por las vías respiratorias, los alvéolos y la
estructura osteomuscular.
Las vías respiratorias están compuestas por un conjunto de vías aéreas por donde entra y sale el aire que circula por los pulmones, estas son:
La boca, las fosas nasales, la tráquea, la laringe, la faringe, los bronquios, los bronquiolos y los conductos alveolares.

El aire que se localiza en las vías aéreas presenta una composición diferente que aire de la cavidad alveolar y muy similar a la composición del aire inspirado , el aire atmosférico.
Hay una cantidad de aire en las vías aéreas (nariz, faringe y tráquea) que no interviene en intercambios gaseosos y se le llama “aire del espacio muerto”, son aproximadamente 150 cc. El aire espirado o aire expulsado es una mezcla de aire alveolar y aire del espacio muerto de composición distinta a cada uno de ellos.
En las vías aéreas, en especial
las vías estrechas se presenta oposición al aire que se desplaza debido a la viscosidad del mismo, entonces el sistema respiratorio tiene que realizar un trabajo para vencer la resistencia periférica que ofrecen las vías aéreas al paso del aire. El trabajo se hace mayor en situaciones patológicas.

A QUÉ SE LE LLAMA ESPACIO
“MUERTO” Y
¿POR QUÉ ES DESVENTAJOSO?
VIAS RESPIRATORIAS
¿QUÈ SON LOS
ALVEOLOS?
Son cavidades microscópicas de aproximadamente 10 -2 cm.
de radio en los que terminan los tubos bronquiales de los pulmones. Estas cavidades están bañadas por capilares que contienen sangre arterial, pulmonar en donde se produce el intercambio del oxigeno del aire con el anhídrido carbónico de la sangre a través de membranas húmedas por medio de la difusión.
En el interior de cada pulmón hay cerca de 150millones de alvéolos.

¿EN QUÉ CONSISTE LA
ESTRUCTURA OSTEO
MUSCULAR?
Esta constituido por la caja torácica y los músculos respiratorios,
tiene por objetivo producir los movimientos necesarios para permitir la libre circulación de los gases, modificando el volumen de la caja torácica durante la respiración.
En la inspiración el volumen de la caja torácica aumenta, mientras que en la espiración disminuye, esta labor se consigue mediante la acción de los músculos respiratorios en especial el músculo del diafragma.

¿CÓMO SE EXPLICA LA
FÍSICA DEL ALVEOLO?
Durante la inspiración normal la presión en los
alvéolos es de 3mmHg por debajo de la presión atmosférica ( o sea -3 mmHg).
Esta presión permite que el aire llegue a los pulmones a través de los tubos bronquiales.
Los alvéolos están recubiertos de un fluido de tejido mucoso que tiene una Ts= 0,050 N/M, esta tensión es necesaria para que el radio de los alvéolos se extienda desde 0,5 x 10 -4 m a 1,0 x 10 -4m. O sea para hinchar el alveolo con una ∆P= 15mmHg, lo que significa que la (Pi)

Fuera del alveolo será 15mmHg menor que los -3mmHg dentro del alveolo, o sea lo que significa (-3mmHg- 15mmHg),equivalente a -18mmHg , fuera del alveolo la presión siempre es negativa.
Sin embargo la Pi (intrapleural) es de -4 mmHg de manera que la diferencia de presión entre la de los pulmones y la cavidad pleural es de 1mmHg o sea quince veces menor que la que se necesita para dilatar un alveolo con una Ts=0,05N/M
Para contrarrestar esta dificultad las paredes de los alveolos
segregan un flujo activo que reduce la Ts en un factor de 15.
En la inspiración la concentración del tenso - activo aumenta, la Ts baja, y el alveolo se dilata sin dificultar y en la espiración la concentración del teso activo baja por lo cual la Ts se incrementa, lo cual ayuda a desinflar el alveolo y a expulsar el aire.

Cuál es el papel del tensoactivo
y su efecto sobre la tensión superficial?
El surfactante es un agente activo
de superficie en agua lo que significa que reduce la tensión superficial del agua.
El surfactante es una mezcla de varios fosfolípidos, proteínas e iones: dipalmitoilfosfatidilcolina, las apoproteinas del surfactantes e iones de calcio.
La importancia del surfactante radica en que disminuye la tensión superficial alveolar y por lo tanto reduce el esfuerzo necesario para que los músculos respiratorios expandan los pulmones.

¿CUÁL ES EL EFECTO DEL
RADIO ALVEOLAR SOBRE LA
PRESIÓN QUE PRODUCE LA
TENSIÓN SUPERFICIAL?
Presión = 2 ts / radio del alveolo
Cuando los alveolos tienen un radio equivalente
a la mitad (50um) de lo normal (100um), las presiones aumentan al doble lo que es significativo en lactantes prematuros pequeños que algunas veces poseen alveolos con radios menores que la cuarta parte de los de un adulto.

Un lactante prematuro tiene poco
o ningún sulfactante al nacer y sus alvéolos tienen tendencia a colapsarse lo que puede dar lugar al síndrome de dificultad respiratoria del recién nacido.

¿A QUÉ SE REFIERE LA MECÁNICA RESPIRATORIA?
Al movimiento de la caja torácica.
La elasticidad pulmonar.
La variación de presiones y a la variación de volúmenes necesaria para la circulación del aire a través del sistema respiratorio.

¿CUÁL ES LA MECÁNICA DE
LA VENTILACIÓN
PULMONAR?
Los pulmones se pueden expandir y contraer de dos maneras:
1.Mediante el movimiento hacia abajo y hacia arriba del
diafragma para alargar y acortar la cavidad torácica.

2.Mediante la elevación y descenso
de las costillas para aumentar y reducir el diámetro anteroposterior de la cavidad torácica.

¿CUÁL ES LA DINÁMICA EN UNA
RESPIRACIÓN TRANQUILA?
La respiración tranquila
normal se consigue casi totalmente por el movimiento del diafragma. Durante la inspiración la contracción del diafragma tira hacia abajo las superficies inferiores de los pulmones y durante la espiración el diafragma se relaja , lo que conlleva al retroceso elástico de los pulmones y la pared torácica, y las estructuras abdominales comprimen los pulmones y expulsan el aire.

¿QUÉ ENERGÍA ES NECESARIA
PARA LA RESPIRACIÓN?
Es una respiración tranquila
normal: 3 a 5 % de la energía total que consume el cuerpo.
Durante el ejercicio intenso la cantidad de energía puede aumentar hasta 50 veces especialmente en casos patológicos:
Ej. aumento de la resistencia de las vías aéreas. Distinción de la distensibilidad pulmonar.

¿CUÁL ES LA DINÁMICA
EN UNA RESPIRACIÓN FORZADA?
En una respiración forzada no son suficientes
las fuerzas elásticas para producir la respiración rápida necesaria de modo que es necesaria una fuerza adicional principalmente mediante la contracción de los
músculos abdominales, que empujan el contenido
abdominal hacia arriba contra la parte inferior del
diafragma, comprimiendo de ésta manera los pulmones.

¿CUÁLES SON LOS MÚSCULOS QUE CAUSAN LA EXPANSIÓN O ELEVACIÓN DE LA CAJA TORÁCICA EN EL MECANISMO DE LA VENTILACIÓN PULMONAR?
Los intercostales externos; esternocleidomastoideo
que elevan el esternón; los serratos anteriores que elevan muchas de las costillas; los escalenos que elevan las dos primeras costillas.

¿QUÉ MÚSCULOS INTERVIENEN
EN EL PROCESO DE LA ESPIRACIÓN?
Los músculos que tiran hacia debajo la reja costal durante la espiración son:
Los rectos abdominales.
Los intercostales internos.

LOS RECTOS ABDOMINALES
INTERCOSTALES INTERNOS.
¿A QUÉ LLAMAMOS DISTENSIBILIDAD PULMONAR?
Volumen en que se expanden los pulmones por cada aumento de la presión transpulmonar: AV/AP
En el ser humano adulto normal la distensibilidad es aproximadamente 200ml de aire por cada cmH2O de presión transpulmonar.

¿CUÁLES SON LAS CARACTERÍSTICAS DEL DIAGRAMA DE DISTENSIBILIDAD PULMONAR?
Están determinadas por las fuerzas elásticas del tejido pulmonar y fuerzas elásticas producidas por la tensión superficial del líquido que tapiza las paredes internas de los alvéolos y de otros espacios aéreos pulmonares
QUÉ DIFERENCIA A LAS FUERZAS ELÁSTICAS DEL TEJIDO PULMONAR DE LAS FUERZAS ELÁSTICAS DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL? ¿CUÁLES PRODUCEN MAYOR ELASTICIDAD A LOS PULMONES?
Las fuerzas elásticas del tejido pulmonar están
determinadas por fibras de elastina y colágeno. Éstas fuerzas representan un tercio de la elasticidad pulmonar.
Las fuerzas elásticas que produce la tensión superficial líquido-aire de los alvéolos representa dos tercios de la elasticidad pulmonar.

PRESIONES DEL ARBOL RESPIRATORIO
Presión pleural: es la que está en el líquido contenido entre la pleura visceral y la pleura parietal. La presión pleural normal al comienzo de la inspiración es de apróx. -5cmH2O y puede alcanzar valores hasta -7cmH2O.


La presión alveolar es la del aire que hay en el interior de los alvéolos pulmonares. Cuando la glotis está abierta y no hay flujo de aire hacia el interior ni el exterior de los pulmones, las presiones en todas las partes del árbol respiratorio, hasta los alvéolos son iguales a la presión atmosférica que es considerada cero.

Presión transpulmonar: es la diferencia entre la presión alveolar y la presión pleural, y es una medida de las fuerzas elásticas de los pulmones que tienden a colapsarlos en todos los momentos de la respiración, denominadas presión de retroceso.

¿COMO INTERVIENEN LAS PRESIONES INTRAPLEURAL, PULMONAR Y ATMOSFÉRICA EN E L PROCESO DE INSPIRACIÓN Y ESPIRACIÓN?
Por su carácter elástico los pulmones cuando están distendidos tienen a ocupar toda la cavidad pleural, de tal manera que la presión en el interior de los pulmones (Pp) es mayor que la presión que se ejerce sobre la superficie exterior de los pulmones (Pi)
Pp > Pi
En la inspiración el volumen del tórax aumenta súbitamente y baja el diafragma en la parte baja del tórax, Pp disminuye quedando por debajo de la presión atmosférica provocando así la entrada del aire a la cavidad pulmonar.
Pp< Po

La presión alveolar disminuye hasta:
Pp= -1cm H2O. Esta presión es suficiente para arrastrar 0,5 litros de aire hacia los pulmones en dos segundo necesarios para la inspiración tranquila normal.

Volúmenes de aire en la respiración
Volumen Corriente: Es aprox. 500ml o la suma del volumen de aire que entra más el volumen de aire que sale en un ciclo respiratorio
Volumen de Reserva Inspiratoria: Es el volumen adicional de aire que puede ser inspirado con una inspiración forzada, es aprox. 3000ml
Volumen de Reserva Espiratoria: Es el volumen adicional de aire que puede ser espirado con una espiración forzada, es aprox. 1100ml.
Volumen Residual: Volumen que queda en los pulmones después de una espiración forzada, es aprox. 1200ml

CAPACIDADES PULMONARES
Capacidad inspiratoria:
Aire corriente: 500ml
Reserva inspiratoria: 3000ml
Total: 3500ml
Capacidad Residual Funcional
Volumen de reserva espiratoria: 1100ml
Volumen residual: 1200ml
Total: 2300ml
Capacidad Vital:
Volumen aire corriente: 500ml
Reserva inspiratoria: 3000ml
Reserva espiratoria: 1100ml
Volumen residual .1200 ml
Total: 5800ml
Capacidad Total: 5800ml

DINÁMICA DE LA RESPIRACIÓN
VENTILACIÓN PULMONAR
Se le llama así a la entrada y salida de aire que se realiza permanentemente durante la respiración.
La eficiencia de la ventilación pulmonar se mide con el coeficiente de ventilación que es la relación:
C= Vacr = 500cc = 0,1
Total 5000cc

VOLUMEN MINUTO RESPIRATORIO
Es la cantidad total de aire nuevo que pasa hacia las vías respiratorias en cada minuto: Es igual al volumen corriente multiplicado por la frecuencia respiratoria / minuto
En un adulto normal:
VAC = 500ml
f = 12 a 16 veces
VAC.f/1minuto = 6 a 8 litros / minuto

FUNCIÓN DE LA VENTILACIÓN ALVEOLAR
Renovar continuamente el aire de las zonas de intercambio gaseoso de los pulmones. Estas zonas incluyen los alvéolos, los sacos alveolares, los conductos alveolares y los bronquiolos respiratorios.
La velocidad a la que llega a éstas zonas
el aire nuevo se llama ventilación alveolar.

¿Qué Trabajo Realizan los Músculos Respiratorios para Producir la Inspiración?
PRINCIPIOS BÁSICOS DE INTERCAMBIO GASEOSO
La difusión del oxígeno desde los alveolos hacia la sangre pulmonar.
La difusión del dióxido de carbono en dirección opuesta.
La velocidad a la que ocurre la difusión.

DIFUSIÓN
Es el movimiento aleatorio de moléculas que entrecruzan su trayectoria en todas las direcciones a través de la membrana respiratoria y los líquidos adyacentes.

¿QUÉ SE REQUIERE PARA QUE SE PRODUZCA LA DIFUSIÓN DE LOS GASES EN LA RESPIRACIÓN?
¿A QUÉ LLAMAMOS PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS?
Si en una mezcla de gases por ejemplo O2, N2 y CO2, la velocidad de difusión de cada uno de los gases es directamente proporcional a la presión que genera ese gas por separado, a esa presión se le denomina presión parcial de gas.
Ejemplo: 79% N2 y 21% O2 del aire cuya presión es de 760mmHg

¿CUÁLES SON LOS FACTORES QUE DETERMINANLA PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS DISUELTO EN UN LÍQUIDO?
¿CÓMO INTERVIENE LA LEY DE HENRY EN CUANTO A LA PRESIÓN PARCIAL?
Algunos tipos de moléculas por ejemplo el CO2 son atraídas física y químicamente por las moléculas de agua mientras que otras son repelidas. Cuando las moléculas son atraídas se pueden disolver mucho más sin generar un exceso de presión parcial en el interior de la solución.

Por el contrario cuando son repelidas se produce una presión parcial elevada con menos moléculas.

Éstas relaciones se evidencian mediante la ley de Henry:

Presión parcial = [Gas]/Coef.deSolubilidad
¿CÓMO SE PRODUCE LA DIFUSIÓN DE GASES ENTRE LA FASE GASEOSA DE LOS ALVÉOLOS Y LA FASE DISUELTA DE LA SANGRE PULMONAR?
¿QUÉ SE ENTIENDE POR PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA EN EL PROCESO RESPIRATORIO?
Cuando se inhala aire no humidificado hacia las vías respiratorias, el agua se evapora inmediatamente desde las superficies de estas vías aéreas y humidifica el aire. Esto se debe a que las moléculas de agua, igual que las de los demás gases disueltos, escapan desde la superficie del agua hacia la fase gaseosa.

La presión parcial que ejercen las moléculas de agua para escapar a través de la superficie, se denomina presión de vapor de agua. La presión de vapor de agua depende totalmente de la temperatura, cuanto mayor es la temperatura, mayor será la actividad cinética de las moléculas y mayor la probabilidad de que escapen de la superficie del agua hacia la fase gaseosa.


Ejemplo:
Temperatura Presión de Vapor del Agua
0°C 5 mmHg
100°C 760 mmHg
37°C 47 mmHg

RELACIÓN DEL AIRE ALVEOLAR CON EL AIRE ATMOSFÉRICO


El aire alveolar es sustituido parcialmente por el aire atmosférico en cada respiración.
El O2 se absorbe constantemente hacia la sangre pulmonar desde el aire pulmonar.
El CO2 se difunde constantemente desde la sangre pulmonar hacia los alvéolos.
El aire atmosférico seco que entra a las vías respiratorias es humidificado incluso antes que llegue a los alvéolos.

LA HEMOGLOBINA
La hemoglobina (Hb) es una heteroproteina de la sangre, de peso molecular 68.000 (68 kD), de color rojo característico, que transporta el oxigeno desde los órganos respiratorios hasta los tejidos.
La forman cuatro cadenas polipeptídicas (globinas) a cada una de las cuales se une un grupo hemo, cuyo átomo de hierro es capaz de unirse de forma reversible al oxígeno.
Cuando la hemoglobina está unida al oxígeno, se denomina oxihemoglobina o hemoglobina oxigenada, dando el aspecto rojo o escarlata intenso característico de la sangre arterial. Cuando pierde el oxígeno, se denomina hemoglobina reducida, y presenta el color rojo oscuro o bordó de la sangre venosa.

Los resultados normales varían, pero en general son:
Hombre: de 13.8 a 17.2 g/dL
Mujer: de 12.1 a 15.1 g/dL

TIPOS DE HEMOGLOBINA
Hemoglobina A o HbA
Hemoglobina A2
Hemoglobina s
Hemoglobina T
Hemoglobina f
Oxihemoglobina
Metahemoglobina
Carbaminohemoglobina
Carboxihemoglobina

CURVA DE DISOCIANCIÓN DE LA OXIHEMOGLOBINA
INTERCAMBIO DE GASES
El aire inspirado contiene mas oxigeno que el aire espirado.
El aire espirado contiene mas dióxido de carbono que el aire inspirado.
No hay cambios en la cantidad de nitrógeno.
Cuando respiramos se produce un intercambio de gases.
Retenemos oxigeno
Produce del aire o agua
Expulsamos dióxido de carbono

ENFERMEDADES DEL SISTEMA RESPIRATORIO
EMFERMEDAD POR DESCOMPRENSIÓN
Cuando el buceador ha estado en la profundidad del mar durante un tiempo suficiente ; como para que se hallan disuelto en su organismo grandes cantidades de nitrógeno y luego vuelve repentinamente a la superficie ; formándose cantidades significativas de burbujas de nitrógeno, las cuales producen lesiones menores o graves en cualquier parte del cuerpo

SINTOMAS
Estos síntomas son el resultado de el bloqueo de vasos sanguíneos por burbujas de gas en diferentes tejidos .
Dolor en las articulaciones y en los músculos de las piernas y de los brazos.
Inestabilidad
Parálisis transitoria ó permanente
Colapso o perdida de conciencia
Asfixia

ELIMINACIÓN DE NITROGENO EN EL CUERPO
Si al buceador se le sube lentamente a la superficie , el nitrógeno disuelto se elimina por los pulmones con la suficiente rapidez como para evitar la enfermedad por descomprensión .
Aproximadamente dos tercios del total del nitrógeno se liberan en una hora y el 90% en 6 horas

TRATAMIENTO
Este tratamiento se utiliza en buzos profesionales ; consiste en introducirlos en un tanque presurizado y después bajar gradualmente la presión hasta alcanzar la presión atmosférica normal .

La descomprensión en un tanque.

ACLIMATACIÓN A LA ALTURA
ENFERMEDADES
La masa de hematíes y el hematocrito se elevan considerablemente.
La presión arterial pulmonar se eleva mas de lo que lo hace la aclimatación normal.
La mitad derecha del corazón se agranda mucho
La presión arterial periférica comienza a descender
Aparece insuficiencia cardiaca congestiva
Sobreviene la muerte a menos que una persona baje a una latitud menor

HIPOXIA
EFECTOS DE LA HIPOXIA
Embotamiento
Lasitud
Fatiga mental y muscular
Cefalea
Náuseas
Euforia
Disminuye el rendimiento mental
Disminuye el juicio , la memoria, y la realización de movimientos finos
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