Conceptos Fundamentales de Fisiología Cardiopulmonar y Biofísica Respiratoria

Conceptos Clave de Fisiología Pulmonar y Cardíaca: Verdadero o Falso

1. Afirmación: Todo el gasto cardíaco pasa a través de los pulmones.
   VERDADERO. Todo el gasto cardíaco del ventrículo derecho pasa a través de la circulación pulmonar, y el gasto de las cavidades derechas e izquierdas será el mismo durante cualquier periodo significativo de tiempo.
2. Afirmación: Las presiones en las arterias pulmonares son similares a las de las arterias sistémicas.
   FALSO. Las presiones sistólica y diastólica en las arterias pulmonares son aproximadamente de 25 y 8 mmHg, respectivamente, en comparación con 120 y 80 mmHg para las arterias sistémicas.
3. Afirmación: La presión media en las arterias pulmonares aumenta a medida que aumenta el gasto cardíaco. La resistencia de la circulación pulmonar cae a medida que el flujo sanguíneo pulmonar aumenta.
   VERDADERO. Aunque la presión en las arterias pulmonares aumenta con el incremento del gasto cardíaco, el aumento es pequeño, ya que la resistencia de la circulación pulmonar disminuye (por reclutamiento y distensión de capilares) a medida que aumenta el flujo.
4. Afirmación: Los pulmones inactivan todos los materiales vasoactivos.
   FALSO. Aunque los pulmones inactivan muchos materiales vasoactivos como la bradiquinina, también activan otros, como la conversión de angiotensina I en su forma activa, angiotensina II, mediante la enzima convertidora de angiotensina (ECA).
5. Afirmación: El cartílago de las paredes evita el colapso de la tráquea, los bronquios y los bronquiolos.
   FALSO. El cartílago está presente en la tráquea y los bronquios, proporcionando soporte estructural. Sin embargo, los bronquiolos carecen de cartílago y dependen de la presión transpulmonar y del tejido elástico circundante para mantenerse abiertos; pueden colapsarse cuando la presión externa (intrapleural o intrapulmonar) supera la presión interna de la vía aérea.
6. Afirmación: Las vías aéreas de pequeño diámetro son los puntos principales de resistencia de las vías aéreas.
   FALSO. Aunque individualmente las vías aéreas pequeñas tienen alta resistencia, su enorme número total hace que el área de sección transversal combinada sea muy grande. Por lo tanto, los puntos principales de resistencia al flujo aéreo se encuentran en las vías aéreas de mayor calibre (primeras generaciones, incluyendo tráquea, bronquios principales y lobares, y especialmente la nariz durante la respiración nasal).
7. Afirmación: Los alvéolos son el único punto en que se produce el intercambio de gases.
   FALSO. Aunque la gran mayoría del intercambio gaseoso ocurre en los alvéolos, una pequeña cantidad también puede ocurrir en los bronquiolos respiratorios y los conductos alveolares, que tienen alvéolos en sus paredes.
8. Afirmación: La complianza total del tórax está determinada únicamente por la complianza de los pulmones.
   FALSO. La complianza del sistema respiratorio (tórax) es el resultado combinado de la complianza de los pulmones y la complianza de la pared torácica. Se relacionan mediante la fórmula: 1/Complianza_Total = 1/Complianza_Pulmonar + 1/Complianza_{Pared Torácica}.
9. Afirmación: La retracción elástica de los pulmones interviene en la inspiración.
   FALSO. La retracción elástica de los pulmones es una fuerza que tiende a colapsar los pulmones y se opone a la inspiración. Ayuda a la espiración pasiva, devolviendo el sistema respiratorio a su volumen de reposo (CRF). La inspiración activa requiere la contracción de los músculos inspiratorios para superar esta retracción elástica.
10. Afirmación: El surfactante pulmonar mantiene una tensión superficial constante en los alvéolos.
    FALSO. El surfactante pulmonar reduce la tensión superficial en la interfase aire-líquido de los alvéolos, y esta reducción es mayor a volúmenes pulmonares bajos (cuando las moléculas de surfactante están más concentradas) y menor a volúmenes altos. Esto ayuda a estabilizar los alvéolos de diferentes tamaños y reduce el trabajo respiratorio, especialmente al inicio de la inspiración desde volúmenes bajos. No mantiene una tensión superficial constante.
11. Afirmación: El espacio muerto anatómico es el volumen de aire que se introduce durante una inspiración y que no penetra en los alvéolos. El espacio muerto fisiológico es siempre mayor que el espacio muerto anatómico.
    VERDADERO. El espacio muerto anatómico corresponde al volumen de las vías aéreas de conducción. El espacio muerto fisiológico incluye el anatómico más el volumen de aire en alvéolos que están ventilados pero no perfundidos (espacio muerto alveolar). En condiciones normales, el espacio muerto alveolar es muy pequeño, pero puede aumentar en ciertas patologías. Por lo tanto, el espacio muerto fisiológico es igual o mayor que el anatómico.
12. Afirmación: El espacio muerto anatómico es independiente del volumen corriente.
    FALSO. El espacio muerto anatómico puede aumentar ligeramente con volúmenes corrientes mayores. A medida que los pulmones se expanden durante una inspiración profunda, se ejerce tracción radial sobre las vías aéreas, lo que puede aumentar su calibre y, por tanto, su volumen (el espacio muerto anatómico).
13. Afirmación: En un pulmón situado en posición vertical, la ventilación es siempre máxima a nivel de la base.
    FALSO. Normalmente, debido a la gravedad, la presión intrapleural es menos negativa (más positiva) en la base que en el vértice. Esto hace que los alvéolos basales estén más comprimidos en reposo (CRF) y se expandan más durante la inspiración, recibiendo mayor ventilación. Sin embargo, a volúmenes pulmonares muy bajos (cercanos al volumen residual), las vías aéreas en la base pueden cerrarse, y la ventilación podría ser mayor en el vértice.
14. Afirmación: La capacidad de difusión del dióxido de carbono en los pulmones es similar a la de oxígeno.
    FALSO. El dióxido de carbono (CO₂) es aproximadamente 20 veces más soluble en la membrana alveolocapilar que el oxígeno (O₂). Según la ley de Fick, la difusión es proporcional a la solubilidad. Aunque el gradiente de presión para el CO₂ a través de la membrana es mucho menor que para el O₂ (aprox. 6 mmHg para CO₂ vs. 60 mmHg para O₂), su alta solubilidad permite que se difunda muy eficientemente. La capacidad de difusión (D_L) para el CO₂ es significativamente mayor que para el O₂.
15. Afirmación: Los quimiorreceptores periféricos están situados en el seno carotídeo y en el cayado de la aorta.
    FALSO. Los barorreceptores (receptores de presión) están situados en el seno carotídeo y el cayado aórtico. Los quimiorreceptores periféricos (que detectan cambios en gases sanguíneos y pH) están localizados en los cuerpos carotídeos (cerca de la bifurcación de las carótidas) y los cuerpos aórticos (en el cayado aórtico).
16. Afirmación: Los quimiorreceptores periféricos solo responden a los cambios en la presión parcial de oxígeno de la sangre arterial.
    FALSO. Los quimiorreceptores periféricos son sensibles principalmente a la disminución de la presión parcial de oxígeno arterial (PaO₂), pero también responden, aunque en menor medida que los quimiorreceptores centrales, al aumento de la presión parcial de dióxido de carbono arterial (PaCO₂) y a la disminución del pH arterial (aumento de H⁺).

Ejercicio sobre la Ley de Fick

1. De acuerdo con la primera Ley de Fick, el flujo J de moléculas es proporcional al gradiente de concentración en determinada dirección x:
   J = –D · A · (dC/dx)
   

   a. ¿Cómo se denomina D y en qué unidades se expresa (S.I.)?

   D se denomina coeficiente de difusión o constante de difusión. En el Sistema Internacional (S.I.), se expresa en m²/s (metros cuadrados por segundo).

   b. Justifique la existencia del signo negativo en el segundo miembro de la ecuación.

   El signo negativo indica que la difusión neta se produce en la dirección opuesta al gradiente de concentración, es decir, desde una región de concentración elevada hacia una región de concentración baja.

2. Basado en la primera Ley de difusión de Fick, diga, justificando, cuáles de las afirmaciones considera verdaderas o falsas:
   • a. Un flujo de moléculas depende del gradiente de concentración.
     VERDADERO. El flujo (J) es directamente proporcional al gradiente de concentración (dC/dx). Si no hay gradiente, no hay flujo neto por difusión.
   • b. Cuando el gradiente es nulo, no existe coeficiente de difusión.
     FALSO. El coeficiente de difusión (D) es una propiedad intrínseca de la sustancia que difunde y del medio en el que lo hace (depende de factores como la temperatura, el tamaño molecular y la viscosidad del medio). Sigue existiendo aunque el gradiente de concentración sea cero; simplemente, en ese caso, el flujo neto (J) será cero.
   • c. El gradiente de concentración depende del tiempo.
     FALSO. La primera ley de Fick describe el flujo en estado estacionario o en un instante dado. El gradiente de concentración (dC/dx) describe cómo cambia la concentración con la posición (espacio), no con el tiempo. La dependencia temporal de la concentración debido a la difusión se describe por la segunda ley de Fick.
   • d. Aumentando la sección, disminuye el flujo.
     FALSO. El flujo (J) es directamente proporcional al área de sección transversal (A) a través de la cual ocurre la difusión. Si aumenta el área, manteniendo constantes D y el gradiente, el flujo total aumentará.

Fórmulas Relevantes en Fisiología Respiratoria

• Ley de Dalton (Presiones Parciales): P_Total = P_N2 + P_O2 + P_CO2 + P_H2O + …
• Ley de los Gases Ideales: P · V = n · R · T
• Ley de Henry (Solubilidad de Gases): C = k · P (donde C es concentración, k es la constante de solubilidad y P es la presión parcial del gas) o V_{gas disuelto} = s · P (donde s es el coeficiente de solubilidad)
• Ley de Fick (Difusión): J = –D · A · (ΔC/Δx)
• Ley de Laplace (Presión en Esfera/Burbuja): ΔP = 2 · γ / r (donde ΔP es la diferencia de presión, γ es la tensión superficial y r es el radio)
• Ecuación de Bohr (Espacio Muerto Fisiológico): V_D / V_T = (P_ACO₂ – P_ECO₂) / P_ACO₂ (donde V_D es el volumen del espacio muerto, V_T es el volumen corriente, P_ACO₂ es la presión parcial alveolar de CO₂ y P_ECO₂ es la presión parcial de CO₂ en el aire espirado mixto)
• Método de Dilución de Helio (Medición de CRF): CRF = (([He]_inicial / [He]_final) – 1) × Volumen_Espirómetro
• Capacidad de Difusión Pulmonar para el CO (D_LCO): D_LCO = V̇CO / (P_ACO – P_cCO) ≈ V̇CO / P_ACO (asumiendo que la presión parcial de CO en el capilar, P_cCO, es cercana a cero; V̇CO es la tasa de captación de CO)
• Ley de Flujo (Relación Flujo-Presión-Resistencia): Q̇ = ΔP / R ⟹ R = ΔP / Q̇ (donde Q̇ es el flujo, ΔP es la diferencia de presión y R es la resistencia)

Aplicación Biofísica: Ley de Laplace

Pregunta:

De acuerdo con la Ley de Laplace, ΔP = 2γ/r. Si se consideran dos alvéolos pulmonares esféricos, A y B, con diámetros diferentes en una interfase aire/líquido a 37 ºC (con γ ≈ 0,07 N/m para agua pura), y estuvieran en contacto, uno de ellos tendería a vaciar su contenido gaseoso en el otro. Explique por qué razón este fenómeno (colapso de alvéolos pequeños en favor de los grandes) no se observa de forma generalizada a nivel biológico en situación normal.

Explicación:

La razón principal por la que este fenómeno no ocurre de forma generalizada en pulmones sanos es la presencia del surfactante pulmonar.

1. Reducción de la Tensión Superficial: El surfactante, una mezcla de lípidos y proteínas secretada por los neumocitos tipo II, se interpone entre las moléculas de agua en la superficie alveolar, reduciendo significativamente la tensión superficial (γ) por debajo del valor del agua pura.
2. Efecto Dependiente del Tamaño: Crucialmente, el surfactante reduce más la tensión superficial en alvéolos pequeños (donde las moléculas de surfactante están más concentradas en la superficie) que en alvéolos grandes (donde están más dispersas). Esto tiende a igualar las presiones de retracción (ΔP) en alvéolos de diferentes tamaños, previniendo el colapso de los más pequeños hacia los más grandes.
3. Estabilidad Alveolar: Al reducir la tensión superficial general y diferencialmente según el tamaño, el surfactante aumenta la complianza pulmonar (facilita la expansión) y promueve la estabilidad alveolar, evitando el colapso generalizado al final de la espiración.

Por lo tanto, aunque la Ley de Laplace predice inestabilidad en un sistema simple de burbujas interconectadas con tensión superficial constante, la presencia y las propiedades únicas del surfactante pulmonar contrarrestan este efecto en el pulmón normalidadenate pulmonar contrarrestan este efecto en el pulmón normal.