Fisiología respiratoria: mecánica, intercambio de gases y transporte de oxígeno

Anatomía funcional: conducción, intercambio y membrana alveolocapilar

La vía aérea se ramifica de forma dicotómica unas 23 veces. Las generaciones 0 a 16 (tráquea, bronquios, bronquiolos y bronquiolos terminales) forman la zona de conducción: calientan, humidifican y filtran el aire, pero no intercambian gases, y su volumen constituye el espacio muerto anatómico (unos 150 mL en el adulto). Las generaciones 17 a 23 (bronquiolos respiratorios, conductos y sacos alveolares) forman la zona respiratoria o acino, que contiene la mayor parte del volumen pulmonar en reposo.

Como el área de sección total crece muchísimo con cada generación, la velocidad del aire cae casi a cero en los acinos: allí el gas avanza por difusión y no por flujo en masa. Por eso las partículas inhaladas se depositan sobre todo en la zona de transición y en las vías grandes, donde el aparato mucociliar las retira.

Los pulmones contienen unos 300 a 500 millones de alvéolos. Su pared está tapizada por neumocitos tipo I, células planas que cubren alrededor del 95 % de la superficie y forman la barrera de intercambio, y neumocitos tipo II, cúbicos, que producen surfactante y actúan como células progenitoras del epitelio tras una lesión. Los macrófagos alveolares fagocitan partículas y microorganismos.

La membrana alveolocapilar está formada por la capa de líquido con surfactante, el epitelio alveolar, las membranas basales (fusionadas en buena parte del recorrido), el endotelio capilar y el plasma. Su grosor es de 0,2 a 0,6 µm. El pulmón recibe dos circulaciones: la pulmonar, de baja presión, que recibe todo el gasto cardíaco y hace el intercambio, y la bronquial, sistémica, que nutre las vías aéreas y drena en parte a las venas pulmonares (un pequeño cortocircuito fisiológico).

Mecánica ventilatoria: presiones, distensibilidad, surfactante y resistencia

El aire se mueve por diferencias de presión. En la inspiración el diafragma se contrae y desciende, y los intercostales externos elevan las costillas; el tórax se expande, la presión pleural se hace más negativa (de unos −5 cmH₂O al final de la espiración a unos −7,5 cmH₂O al final de una inspiración tranquila) y la presión alveolar cae por debajo de la atmosférica (alrededor de −1 cmH₂O), de modo que el aire entra. En la espiración tranquila los músculos se relajan y la retracción elástica eleva la presión alveolar a unos +1 cmH₂O. La espiración forzada recluta los músculos abdominales y los intercostales internos.

La presión transpulmonar (alveolar menos pleural) es la que mantiene abiertos los alvéolos. La distensibilidad (compliance) es el cambio de volumen por unidad de cambio de presión: unos 200 mL/cmH₂O para los pulmones y unos 110 mL/cmH₂O para el conjunto pulmón y tórax. Disminuye en la fibrosis, el edema y el déficit de surfactante, y aumenta en el enfisema, donde se destruye el tejido elástico. La curva presión-volumen muestra histéresis: a igual presión, el volumen es mayor en el desinflado que en el inflado, en buena parte por el surfactante.

Alrededor de dos tercios de la retracción elástica del pulmón se deben a la tensión superficial de la interfase aire-líquido. Según la ley de Laplace (P = 2T/r), un alvéolo pequeño tendería a vaciarse en uno grande. El surfactante, una mezcla de fosfolípidos (sobre todo dipalmitoilfosfatidilcolina) y proteínas secretada por los neumocitos II, reduce la tensión superficial, y lo hace más cuanto más se comprime la película, lo que estabiliza los alvéolos pequeños, aumenta la distensibilidad y ayuda a mantener secos los alvéolos. Su síntesis comienza hacia las semanas 24 a 28 de gestación y suele ser suficiente hacia la semana 35.

La resistencia de la vía aérea sigue la ley de Poiseuille: es inversamente proporcional a la cuarta potencia del radio, de modo que reducir el radio a la mitad multiplica la resistencia por 16. El sitio principal de resistencia son los bronquios de mediano calibre; las vías menores de 2 mm aportan menos del 20 % porque son muy numerosas y están en paralelo. Por eso la enfermedad de la vía aérea pequeña puede avanzar sin cambiar la resistencia total. La resistencia disminuye al aumentar el volumen pulmonar (tracción radial del parénquima), con la estimulación simpática β₂ y aumenta con la estimulación parasimpática (acetilcolina, receptores M₃), la histamina y los leucotrienos.

En la espiración forzada la presión pleural se hace positiva y comprime las vías aéreas: el flujo deja de depender del esfuerzo y queda limitado (compresión dinámica). En el enfisema la pérdida de tracción elástica adelanta ese colapso y atrapa aire.

Volúmenes y capacidades pulmonares

Los cuatro volúmenes no se superponen; las capacidades son sumas de dos o más volúmenes. Las cifras del dibujo son las típicas de un hombre adulto joven; en la mujer son un 20 a 25 % menores, y en la práctica se comparan con valores predichos por sexo, edad, talla y etnia.

La CRF es el volumen de equilibrio del sistema: en ella la tendencia del pulmón a retraerse se iguala con la del tórax a expandirse. Funciona como reservorio que amortigua los cambios de la composición del gas alveolar entre una respiración y otra, y es la reserva de O₂ durante la apnea (de ahí la preoxigenación antes de la intubación). Disminuye en decúbito, en la obesidad, en el embarazo y en la fibrosis; aumenta en el enfisema (hiperinsuflación).

El VR, y por tanto la CRF y la CPT, no se pueden medir con un espirómetro, porque es aire que no sale: se miden por dilución de helio, lavado de nitrógeno o pletismografía corporal. La espirometría forzada aporta el FEV₁ (volumen espirado en el primer segundo) y la capacidad vital forzada (FVC). Una relación FEV₁/FVC baja indica obstrucción; una CPT baja confirma restricción.

Ventilación alveolar y espacio muerto

La ventilación minuto es el volumen corriente por la frecuencia respiratoria: 500 mL × 12/min = 6 L/min. Pero solo la parte de cada respiración que llega a alvéolos perfundidos participa en el intercambio. La ventilación alveolar descuenta el espacio muerto: (500 − 150) × 12 ≈ 4,2 L/min. Una respiración rápida y superficial, con igual ventilación minuto, ventila mucho más espacio muerto y menos alvéolo.

El espacio muerto fisiológico suma el anatómico y el alveolar (alvéolos ventilados pero no perfundidos). En el sano ambos casi coinciden; el alveolar crece en la embolia pulmonar, el enfisema, la hipotensión y la ventilación con presión positiva excesiva. Se calcula con la ecuación de Bohr a partir de la PaCO₂ y la PCO₂ del gas espirado mixto; la relación V_D/V_T normal es de 0,2 a 0,35.

La relación más útil de la fisiología respiratoria es la ecuación de la ventilación alveolar: PaCO₂ = 0,863 × V̇CO₂ / V̇_A. Con una producción de CO₂ de unos 200 mL/min y una ventilación alveolar de unos 4,3 L/min, la PaCO₂ es de 40 mmHg. Hipoventilación alveolar e hipercapnia son, por definición, lo mismo.

La ecuación del gas alveolar estima la PO₂ alveolar: P_AO₂ = F_iO₂ × (P_B − 47) − PaCO₂/R. A nivel del mar, respirando aire (F_iO₂ 0,21, presión barométrica 760 mmHg, presión de vapor de agua 47 mmHg) y con un cociente respiratorio de 0,8, da unos 100 mmHg. La diferencia alveoloarterial (gradiente A–a) normal es menor de 10 a 15 mmHg en el joven y aumenta con la edad. La hipoventilación pura y la altura producen hipoxemia con gradiente normal; el desequilibrio V̇/Q̇, el cortocircuito y, en menor medida, los defectos de difusión lo aumentan.

Difusión: ley de Fick y DLCO

Los gases atraviesan la membrana alveolocapilar por difusión pasiva. Según la ley de Fick, el flujo de gas es proporcional al área, a la diferencia de presión parcial y a la constante de difusión, e inversamente proporcional al grosor. La constante depende de la solubilidad del gas y del inverso de la raíz de su peso molecular: el CO₂ difunde unas 20 veces más rápido que el O₂, por eso los defectos de difusión producen hipoxemia mucho antes que hipercapnia.

En reposo un eritrocito tarda unos 0,75 s en recorrer el capilar pulmonar, y la PO₂ de la sangre se iguala con la alveolar en el primer tercio del trayecto (unos 0,25 s). Esa reserva explica que la difusión casi nunca limite el intercambio en reposo. Puede hacerlo cuando coinciden un tránsito acortado (ejercicio intenso), una membrana engrosada (fibrosis) y una PO₂ alveolar baja (altura): la hipoxemia inducida por el ejercicio en la enfermedad intersticial es el ejemplo clásico.

La transferencia de O₂ está limitada por la perfusión: en condiciones normales la sangre se satura antes de salir del capilar, y solo más flujo aumenta la captación. El monóxido de carbono (CO), en cambio, se une con tanta avidez a la hemoglobina que su presión plasmática apenas sube: su captación está limitada por la difusión. Por eso se usa para medir la capacidad de difusión pulmonar (DLCO), normal en torno a 25 mL/min/mmHg en reposo. La DLCO baja en el enfisema (menos superficie), la enfermedad intersticial (membrana más gruesa), la enfermedad vascular pulmonar y la anemia (menos hemoglobina que capta CO); sube en la policitemia y la hemorragia alveolar. Debe corregirse por la hemoglobina.

Relación ventilación/perfusión y zonas de West

Para el pulmón entero, una ventilación alveolar de unos 4 L/min y un flujo pulmonar de unos 5 L/min dan una relación V̇/Q̇ global de 0,8. Pero lo que determina la PO₂ y la PCO₂ de cada unidad es su propia relación. En el extremo V̇/Q̇ = 0 (cortocircuito) la sangre sale con la composición venosa mixta; en el extremo V̇/Q̇ = ∞ (espacio muerto) el gas alveolar se parece al inspirado.

En bipedestación la gravedad hace que tanto la ventilación como el flujo aumenten del vértice a la base, pero el flujo aumenta mucho más. Por eso el V̇/Q̇ es de unos 3,3 en el vértice (PO₂ alveolar alta, cerca de 130 mmHg) y de unos 0,6 en la base (PO₂ cercana a 90 mmHg). El flujo sanguíneo por regiones depende de tres presiones: alveolar (PA), arterial pulmonar (Pa) y venosa pulmonar (Pv):

• Zona 1 (PA > Pa > Pv): el capilar se colapsa y no hay flujo; es espacio muerto alveolar. No existe en el pulmón sano: aparece si cae la presión arterial pulmonar (hemorragia, choque) o sube la alveolar (ventilación con presión positiva, PEEP alta).
• Zona 2 (Pa > PA > Pv): el flujo depende de la diferencia entre la presión arterial y la alveolar (efecto cascada) y crece hacia abajo.
• Zona 3 (Pa > Pv > PA): los capilares están abiertos todo el ciclo y el flujo depende de la diferencia arteriovenosa.

La vasoconstricción pulmonar hipóxica desvía la sangre de los alvéolos mal ventilados hacia los bien ventilados y es el principal mecanismo local para preservar el V̇/Q̇. Al revés que en la circulación sistémica, la hipoxia contrae las arteriolas pulmonares. Cuando es generalizada (altura, EPOC grave) causa hipertensión pulmonar. Los vasodilatadores pueden revertirla y empeorar la hipoxemia.

Las unidades con V̇/Q̇ bajo producen hipoxemia que no se compensa con las unidades de V̇/Q̇ alto, porque la curva de la hemoglobina es plana arriba: la sangre bien oxigenada no puede cargar más O₂ para compensar la mal oxigenada. El CO₂, cuya curva es casi lineal, sí se compensa aumentando la ventilación, por eso en el desequilibrio V̇/Q̇ la PaCO₂ suele ser normal o baja.

Transporte de oxígeno y de dióxido de carbono

El O₂ viaja disuelto (0,003 mL/dL por mmHg de PO₂, apenas 0,3 mL/dL con una PaO₂ de 100 mmHg) y unido a la hemoglobina (1,34 mL por gramo saturado). Con 15 g/dL de hemoglobina y una SaO₂ del 97 %, el contenido arterial de O₂ (CaO₂) es de unos 20 mL/dL; la sangre venosa mixta, con una saturación del 75 %, lleva unos 15 mL/dL. La entrega de O₂ (DO₂ = gasto cardíaco × CaO₂ × 10) es de unos 1.000 mL/min y el consumo en reposo de unos 250 mL/min: los tejidos extraen alrededor del 25 %.

La curva de disociación es sigmoidea porque la unión del O₂ es cooperativa: cada molécula unida aumenta la afinidad de los grupos hemo restantes. La porción alta y plana protege la carga de O₂ frente a caídas moderadas de la PO₂ alveolar; la porción empinada, entre 10 y 50 mmHg, permite descargar mucho O₂ en los tejidos con pequeñas caídas de PO₂. La P50, la PO₂ a la que la hemoglobina está saturada al 50 %, es de unos 26,8 mmHg en el adulto. La curva del dibujo se generó con la ecuación de Hill (P50 = 26,8 mmHg, coeficiente n = 2,7); las curvas desplazadas son ilustrativas.

La curva se desplaza a la derecha (menor afinidad, más O₂ cedido) con el aumento de H⁺, de PCO₂ (efecto Bohr), de temperatura y de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG), justo lo que ocurre en un músculo en ejercicio. Se desplaza a la izquierda con la alcalosis, la hipotermia, el déficit de 2,3-BPG (sangre almacenada), la hemoglobina fetal (que no fija bien el 2,3-BPG) y el CO. El CO tiene una afinidad por la hemoglobina unas 200 a 250 veces mayor que el O₂: reduce el contenido de O₂ y además desplaza la curva a la izquierda, por eso la hipoxia tisular es grave aunque la PaO₂ sea normal.

El CO₂ viaja en tres formas: como bicarbonato (alrededor del 70 %), unido a proteínas como compuestos carbamínicos (alrededor del 23 %) y disuelto (alrededor del 7 %). En el eritrocito la anhidrasa carbónica convierte el CO₂ en ácido carbónico, que se disocia en H⁺ (amortiguado por la hemoglobina) y HCO₃⁻, que sale al plasma a cambio de cloruro (desplazamiento del cloruro o de Hamburger). En el pulmón el proceso se invierte. El efecto Haldane describe que la hemoglobina desoxigenada fija más CO₂ y más H⁺: en los tejidos la descarga de O₂ facilita la captación de CO₂, y en el pulmón la oxigenación lo libera. Es una de las razones por las que la oxigenoterapia sin control puede elevar la PaCO₂ en algunos pacientes con EPOC, junto con el empeoramiento del V̇/Q̇ al anular la vasoconstricción hipóxica.

Control de la respiración: centros y quimiorreceptores

El ritmo respiratorio se genera en el tronco encefálico. El grupo respiratorio dorsal (GRD), en el núcleo del tracto solitario, integra las aferencias de los quimiorreceptores periféricos y de los receptores pulmonares y activa sobre todo neuronas inspiratorias. El grupo respiratorio ventral (GRV) contiene el complejo pre-Bötzinger (preBötC), considerado el generador del ritmo inspiratorio, y neuronas que se activan en la espiración forzada. En la protuberancia, el grupo respiratorio pontino (PRG, antes centro neumotáxico) acorta la inspiración y ajusta la frecuencia. La corteza permite el control voluntario (hablar, contener la respiración) por vías que no pasan por estos centros. La salida llega al diafragma por el nervio frénico (C3 a C5) y a los intercostales por los nervios torácicos.

Los quimiorreceptores centrales, en la superficie ventral del bulbo, responden al H⁺ del líquido cefalorraquídeo (LCR). El CO₂ cruza la barrera hematoencefálica con facilidad y se hidrata a H⁺; los H⁺ de la sangre la cruzan mal. Explican la mayor parte (del orden del 70 al 80 %) de la respuesta ventilatoria al CO₂ sostenida. Si la hipercapnia se mantiene, el bicarbonato del LCR aumenta en uno o dos días y la respuesta se atenúa: por eso el paciente con hipercapnia crónica depende más del estímulo hipóxico.

Los quimiorreceptores periféricos son los cuerpos carotídeos (bifurcación carotídea, aferencias por el nervio de Hering y el glosofaríngeo) y los aórticos (vago). Sus células glómicas responden sobre todo a la caída de la PaO₂ (no del contenido de O₂: no detectan la anemia ni la intoxicación por CO), con una respuesta que se vuelve marcada por debajo de unos 60 mmHg. También responden con rapidez al aumento de H⁺ y de PaCO₂; son los que detectan la acidosis metabólica y generan la respiración de Kussmaul.

Los receptores de estiramiento de las vías aéreas envían señales por el vago que inhiben la inspiración (reflejo de Hering-Breuer); en el adulto solo se activan con volúmenes corrientes grandes, mayores de unos 1,5 L. Los receptores de irritación y los receptores J (yuxtacapilares) contribuyen a la tos, la broncoconstricción y la taquipnea del edema y la embolia pulmonar.

Respuesta a la altura y al ejercicio

En la altura la fracción de O₂ del aire sigue siendo del 21 %, pero cae la presión barométrica y con ella la PO₂ inspirada. A unos 2.600 m, como en Bogotá, la presión barométrica ronda los 560 mmHg: la PO₂ inspirada baja de unos 150 a unos 108 mmHg. Por eso los valores normales de los gases arteriales de las ciudades altas de los Andes difieren de los del nivel del mar: PaO₂ y PaCO₂ más bajas y saturación algo menor. Deben usarse valores de referencia locales.

1. Minutos: la hipoxemia estimula los cuerpos carotídeos e induce hiperventilación, que eleva la P_AO₂ y produce alcalosis respiratoria, la cual al principio frena en parte el estímulo.
2. Días: el riñón excreta bicarbonato y corrige el pH; el bicarbonato del LCR se ajusta y la ventilación sigue subiendo (aclimatación ventilatoria). Aumenta el 2,3-BPG.
3. Semanas: la eritropoyetina eleva la masa de eritrocitos y el hematocrito; aumentan la densidad capilar y las mitocondrias musculares.

La vasoconstricción hipóxica generalizada eleva la presión arterial pulmonar y, si es desigual, favorece el edema pulmonar de la altura. El mal agudo de montaña es frecuente por encima de unos 2.500 m en quienes ascienden rápido. En el habitante de la altura, la eritrocitosis excesiva lleva al mal de montaña crónico (enfermedad de Monge).

En el ejercicio el consumo de O₂ puede multiplicarse por 15 a 20 en un deportista entrenado. La ventilación aumenta en proporción a la producción de CO₂, con estímulos neurales (corteza motora, receptores de las articulaciones y los músculos) que actúan antes de que cambien los gases. En el ejercicio moderado la PaO₂, la PaCO₂ y el pH apenas cambian. Por encima del umbral ventilatorio el ácido láctico es amortiguado por el bicarbonato, se produce CO₂ adicional y la ventilación aumenta de forma desproporcionada. La difusión aumenta (hasta unas tres veces) por reclutamiento y distensión de capilares en el vértice, el V̇/Q̇ se hace más uniforme y la extracción periférica crece con el desplazamiento a la derecha de la curva de la hemoglobina. En el sano el límite del ejercicio suele ser cardiovascular, no ventilatorio.

Valores normales de referencia

Valores orientativos de los tratados de referencia; cada laboratorio fija sus propios intervalos.

Fórmulas y relaciones

Ecuación del gas alveolar

P_AO₂ = F_iO₂ × (P_B − 47) − PaCO₂ / R

P_B: presión barométrica; 47 mmHg es la presión de vapor de agua a 37 °C; R ≈ 0,8.

Ventilación alveolar y PaCO2

PaCO₂ = 0,863 × V̇CO₂ / V̇_A

V̇CO₂ en mL/min y V̇_A en L/min. Si la ventilación alveolar se reduce a la mitad, la PaCO₂ se duplica.

Ecuación de Bohr (espacio muerto)

V_D/V_T = (PaCO₂ − P_ECO₂) / PaCO₂

P_ECO₂: PCO₂ del gas espirado mixto. Normal 0,2–0,35.

Ley de Fick de la difusión

V̇gas = (A / T) × D × (P₁ − P₂)

A: área; T: grosor; D: constante de difusión, proporcional a la solubilidad / √peso molecular.

Contenido arterial de O2

CaO₂ = 1,34 × Hb × SaO₂ + 0,003 × PaO₂

Hb en g/dL, SaO₂ como fracción, resultado en mL/dL.

Entrega de O2

DO₂ = GC × CaO₂ × 10

GC en L/min; resultado en mL/min (≈ 1.000 en reposo).

Distensibilidad

C = ΔV / ΔP

Distensibilidad estática en ventilación mecánica: volumen corriente / (presión meseta − PEEP).

Ley de Laplace (alvéolo)

P = 2T / r

T: tensión superficial; r: radio. Sin surfactante, los alvéolos pequeños se vaciarían en los grandes.

Ecuación de Hill (saturación)

SO₂ = PO₂ⁿ / (PO₂ⁿ + P50ⁿ)

Con P50 = 26,8 mmHg y n ≈ 2,7 reproduce la curva normal entre unos 20 y 100 mmHg.

Correlación clínica

Calculadoras relacionadas

• Conversor de unidades de laboratoriomg/dL a mmol/L y µmol/L

Otros sistemas

• Sistema cardiovascular
• Sistema renal
• Líquidos, electrolitos y ácido-base
• Sistema digestivo e hígado
• Sistema endocrino
• Sistema nervioso
• Músculo esquelético, liso y cardíaco
• Sangre, hemostasia e inmunidad
• Sistema reproductor