CAPÍTULO 35: Transporte de gas y pH

Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de:

• Describir la forma en que el oxígeno (O₂) fluye siguiendo su gradiente de concentración de los pulmones a los tejidos y el dióxido de carbono (CO₂) fluye siguiendo su gradiente de concentración de los tejidos a los pulmones.

• Conocer los factores importantes que afectan la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y la importancia fisiológica de cada uno.

• Comprender las reacciones que aumentan la cantidad de dióxido de carbono en la sangre y trazar la curva de disociación de dióxido de carbono para sangre arterial y venosa.

• Definir la alcalosis y la acidosis, así como listar las causas típicas y las respuestas compensadoras a cada una.

• Definir la hipoxia y describir sus principales modalidades.

• Describir los efectos de la hipercapnia y la hipocapnia, y dar ejemplos de los trastornos que las causan.

Las concentraciones de O₂ y CO₂ (medidas en la forma de tensiones parciales, o PO₂ y PCO₂) cambian dentro de cada región del pulmón, lo cual permite que los gases fluyan siguiendo su gradiente de concentración o desde presiones parciales más altas a otras de menor magnitud. Por ejemplo, PO₂ alcanza su punto máximo en los alveolos con la inspiración y su punto mínimo en la sangre desoxigenada, en tanto que con PCO₂ ocurre exactamente lo contrario. Los cambios anteriores permiten que O₂ atraviese los alveolos y reoxigene la sangre dentro de los vasos pulmonares, en tanto que CO₂ sale de la corriente sanguínea y penetra en los alveolos, de los cuales es expulsado. Sin embargo, la cantidad de ambos gases transportada hacia los tejidos y desde ellos sería, en términos generales, inadecuada si no fuera porque alrededor de 99% del O₂ que se disuelve en la sangre se combina con la hemoglobina, proteína acarreadora de O₂ y porque alrededor de 94.5% del CO₂ que se disuelve entra a una serie de reacciones químicas reversibles que lo convierten en otros compuestos. Así, la presencia de hemoglobina aumenta 70 veces la capacidad acarreadora de O₂ de la sangre y las reacciones de CO₂ incrementan 17 veces el contenido de CO₂. En este capítulo, se describen los detalles fisiológicos que explican el desplazamiento de oxígeno y dióxido de carbono en varias situaciones.

APORTE DE OXÍGENO A LOS TEJIDOS

El aporte de oxígeno o, por definición, el volumen de dicho gas aportado por minuto al lecho vascular general, es el producto del gasto cardiaco y la concentración de oxígeno en la sangre arterial. La capacidad de distribuir oxígeno a todo el organismo depende de los aparatos respiratorio y cardiovascular. El aporte de oxígeno a un tejido particular depende de la cantidad que llegue a los pulmones, la calidad del intercambio gaseoso, el flujo sanguíneo al tejido y la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. El flujo sanguíneo a un tejido en particular depende del grado de constricción del lecho vascular en el tejido y del gasto cardiaco. La cantidad de oxígeno en la sangre depende de la cantidad que se disuelva, la concentración de hemoglobina en sangre y de la afinidad de esta por el oxígeno.

REACCIÓN DE LA HEMOGLOBINA CON EL OXÍGENO

La dinámica de la reacción de la hemoglobina con el oxígeno la convierten en un transportador de este muy adecuado. La hemoglobina es una proteína formada por cuatro subunidades, cada una de las cuales contiene una fracción hem unida a una cadena polipeptídica. En adultos normales, la mayor parte de las moléculas de hemoglobina contiene dos cadenas α y dos β. El hem (fig. 31-7) es un complejo anular de porfirina que incluye un átomo de hierro ferroso. Cada uno de los cuatro átomos de hierro de la hemoglobina puede unirse de manera reversible a una molécula de oxígeno. El hierro permanece en estado ferroso, por lo cual la reacción es de oxigenación, no de oxidación. Se acostumbra escribir la reacción de la hemoglobina con oxígeno como $Hb+O2⇄HbO2$. Como contiene cuatro unida-des de desoxihemoglobina (Hb), la molécula de hemoglobina también puede representarse como Hb₄, y en realidad reacciona con cuatro moléculas de oxígeno para formar Hb₄O₈.

La reacción es rápida, requiere menos de 0.01 s. La desoxigenación (reducción) de Hb₄O₈ también es muy rápida.

La estructura cuaternaria de la hemoglobina determina su afinidad por el oxígeno. En la desoxihemoglobina, las unidades globina se unen con fuerza en una configuración tensa (T) que reduce la afinidad de la molécula por el oxígeno. Cuando se une el oxígeno, los enlaces que sostienen las unidades globina se liberan, lo cual genera una configuración relajada (R) que expone más sitios de unión con oxígeno. El resultado neto es un aumento de 500 veces en la afinidad por el oxígeno. En los tejidos, estas reacciones se invierten, lo cual libera el oxígeno. Se calcula que la transición de un estado a otro ocurre unas 10⁸ veces en la vida de un eritrocito.

La curva de disociación oxígeno-hemoglobina relaciona el porcentaje de saturación de la capacidad portadora de oxígeno de la hemoglobina (abreviada como SaO₂) con la PO₂ (fig. 35-1). Esta curva tiene una forma sigmoide característica por la interconversión T-R. La combinación del primer hem de la molécula de hemoglobina con oxígeno aumenta la afinidad del segundo hem por el oxígeno; la oxigenación del segundo incrementa la afinidad del tercero, etc., por lo que la afinidad de la hemoglobina por la cuarta molécula de oxígeno es muchas veces mayor que por la primera. Es importante destacar que los cambios pequeños en un nivel bajo de PO₂ originan grandes cambios en SaO₂.

Cuando la sangre se equilibra con oxígeno al 100% la hemoglobina normal se satura al 100%. Cuando está saturada, cada gramo de hemoglobina normal contiene 1.39 ml de oxígeno. Sin embargo, en condiciones normales la sangre contiene pequeñas cantidades de derivados inactivos de hemoglobina y el valor medido in vivo es menor. La cifra usual es 1.34 ml de oxígeno. La concentración de hemoglobina en sangre normal es cercana a 15 g/100 ml (14 g/100 ml en mujeres y 16 g/100 ml en varones). Por ende, 100 ml de sangre contienen 20.1 ml (1.34 ml × 15) de oxígeno unido con la hemoglobina cuando esta se satura al 100%. La cantidad de oxígeno disuelto está en función lineal de la PO₂ (0.003 ml/100 ml de sangre/mmHg de PO₂).

In vivo, la hemoglobina de la sangre en los extremos de los capilares pulmonares se aproxima a una saturación de 97.5% con oxígeno (PO₂ = 100 mmHg). A causa de una pequeña mezcla de sangre venosa que evita el paso por los capilares pulmonares (cortocircuito fisiológico), la hemoglobina de la sangre sistémica solo tiene una saturación de 97%. Por consiguiente, la sangre arterial porta cerca de 19.8 ml de oxígeno por cada 100 ml en total: 0.29 ml en solución y 19.5 ml unidos con hemoglobina. En la sangre venosa en reposo, la hemoglobina presenta una saturación de 75% y el contenido total de oxígeno es cercano a 15.2 ml/100 ml: 0.12 ml en solución y 15.1 ml unidos con hemoglobina. Por tanto, en reposo los tejidos retiran alrededor de 4.6 ml de oxígeno de cada 100 ml de sangre que pasa por ellos (cuadro 35-1); 0.17 ml de este total comprende oxígeno disuelto en la sangre y el resto es el oxígeno liberado de la hemoglobina. De esta manera, en reposo se transportan 250 ml de oxígeno por minuto de la sangre a los tejidos.

FACTORES QUE AFECTAN LA AFINIDAD DE LA HEMOGLOBINA POR EL OXÍGENO

Tres condiciones importantes influyen en la curva de disociación de oxígeno-hemoglobina: el pH, la temperatura y la concentración de 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG). Un incremento en la temperatura o un descenso en el pH desvían la curva a la derecha (fig. 35-2). Cuando la curva se desvía en tal dirección, se requiere una PO₂ mayor para que la hemoglobina se una con una cantidad determinada de oxígeno. Por el contrario, un descenso en la temperatura o el aumento del pH orienta la curva a la izquierda, y se necesita una menor PO₂ para que se una con una cifra determinada de oxígeno. Un índice conveniente para la comparación de estas desviaciones es la P₅₀, que es la PO₂ en la cual la mitad de la hemoglobina está saturada con oxígeno. Mientras más alto sea el valor de P₅₀, menor es la afinidad de la hemoglobina por este gas.

El descenso en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno cuando el pH sanguíneo cae se llama efecto de Bohr y tiene una relación estrecha con que la hemoglobina desoxigenada (desoxihemoglobina) se una con hidrogeniones (H⁺) de manera más activa que la hemoglobina oxigenada (oxihemoglobina). El pH sanguíneo se reduce rápidamente conforme aumenta su contenido de dióxido de carbono; por ello, cuando la PCO₂ se eleva, la curva se desvía a la derecha y la P₅₀ se incrementa. La mayor parte de la desaturación de la hemoglobina presente en los tejidos es consecutiva al descenso en la PO₂, pero una desaturación adicional de 1 a 2% se debe al aumento en la PCO₂ y la desviación consecuente de la curva de disociación a la derecha.

El 2,3-difosfoglicerato es muy abundante en los eritrocitos. Se forma a partir de 3-fosfogliceraldehido, el cual corresponde a un producto de la glucólisis por la vía de Embden-Meyerhof.

Este es un anión con carga elevada que se une con las cadenas β de la desoxihemoglobina. Un mol de desoxihemoglobina se une a Un mol de 2,3-difosfoglicerato. En efecto,

En este equilibrio, un aumento en la concentración de 2,3- difosfoglicerato desvía la reacción a la derecha, lo cual induce la liberación de más oxígeno.

Como la acidosis inhibe la glucólisis en los eritrocitos, la concentración de 2,3-difosfoglicerato cae cuando el pH es bajo. Por el contrario, las hormonas tiroideas, las hormonas del crecimiento y los andrógenos aumentan la concentración de 2,3-difosfoglicerato y la P₅₀.

Hay informes de que el ejercicio induce un aumento de 2,3-difosfoglicerato en 60 min, aunque tal vez el incremento no ocurra en atletas entrenados. La P₅₀ también aumenta durante el ejercicio, ya que la temperatura se eleva en los tejidos activos y se acumulan dióxido de carbono y metabolitos, lo cual reduce el pH. Además, se elimina mucho más oxígeno de cada unidad de sangre que fluye por los tejidos activos porque la PO₂ hística disminuye. Por último, con valores bajos de PO₂, la curva de disociación oxígeno-hemoglobina tiene una pendiente marcada y se liberan grandes cantidades de oxígeno por unidad de decremento en la PO₂. En el recuadro clínico 35-1, se describen algunas características clínicas de la hemoglobina.

Un contraste interesante con la hemoglobina es la mioglobina, un pigmento que contiene hierro y se encuentra en el músculo estriado. Se parece a la hemoglobina, pero se une con una molécula de oxígeno, en lugar de cuatro, por mol. La falta de unión cooperativa se refleja en la curva de disociación de la mioglobina, una hipérbola rectangular, y no la curva sigmoidea observada con la hemoglobina (fig. 35-3). Como aspecto adicional, el desplazamiento de la curva de unión de oxígeno con la mioglobina hacia la izquierda, en comparación con la curva de la hemoglobina, demuestra una mayor afinidad por oxígeno, con lo que facilita la transferencia favorable de dicho gas desde la hemoglobina a la sangre. La dirección inclinada de la curva de mioglobina también indica que se libera oxígeno solo con niveles bajos de PO₂ (p. ej., durante el ejercicio). El contenido de mioglobina alcanza su máximo en músculos especializados para contraerse en forma sostenida. El riego sanguíneo al músculo queda comprimido durante las contracciones mencionadas y la mioglobina continúa aportando oxígeno, en una situación en que disminuye el flujo sanguíneo, aminora PO₂ en la sangre o privan ambos factores.

DESTINO MOLECULAR DEL DIÓXIDO DE CARBONO EN LA SANGRE

La solubilidad de este gas en la sangre es unas 20 veces mayor que la del oxígeno; por tanto, existe mucho más dióxido de carbono que oxígeno en solución simple con presiones parciales iguales. El CO₂ que difunde a los eritrocitos se hidrata con rapidez para formar ácido carbónico (H₂CO₃) por la presencia de anhidrasa carbónica (fig. 35-4). Este ácido se disocia en hidrogeniones y bicarbonato (HCO₃⁻) y el hidrogenión se amortigua, sobre todo por la acción de la hemoglobina, mientras el bicarbonato (HCO₃⁻) ingresa al plasma. Parte del dióxido de carbono en los eritrocitos reacciona con los grupos amino de la hemoglobina y otras proteínas (R), con lo cual se forman compuestos carbamino:

Como la desoxihemoglobina se une con más hidrogeniones en comparación con la oxihemoglobina (HbO₂) y forma compuestos carbamino con más facilidad, la unión de oxígeno con la hemoglobina reduce su afinidad por el dióxido de carbono. El efecto de Haldane denota la capacidad mayor de la hemoglobina desoxigenada para unirse al CO₂ y transportarlo. Por consiguiente, la sangre venosa transporta más dióxido de carbono que la arterial, la captación de este último se facilita en los tejidos y la liberación del mismo también se facilita en los pulmones. Cerca de 11% del dióxido de carbono agregado a la sangre en los capilares sistémicos se transporta a los pulmones como carbamino-dióxido de carbono.

DESPLAZAMIENTO DE CLORURO

Como el contenido de bicarbonato en los eritrocitos es mucho mayor que el del plasma cuando la sangre pasa por los capilares, casi 70% del bicarbonato formado en los eritrocitos entra en el plasma. El exceso de este último sale de los eritrocitos a cambio de cloruros (Cl^–) (fig. 35-4). Este proceso está mediado por el intercambiador aniónico 1 (AE1, antes llamado “banda 3”), una proteína importante en la membrana de los eritrocitos. A causa de este desplazamiento de cloro, el contenido de cloruros en los eritrocitos de la sangre venosa es mucho mayor comparado con el de la sangre arterial. El desplazamiento de cloro ocurre con rapidez, se completa en un segundo.

Nótese que por cada molécula de dióxido de carbono agregada al eritrocito, aumenta una partícula con actividad osmótica dentro de esta célula, ya sea bicarbonato o cloruro (fig. 35-4). Por consiguiente, los eritrocitos captan agua y su tamaño se incrementa. Por esta razón, además de que una pequeña cantidad de líquido en la sangre arterial regresa por los vasos linfáticos y no por las venas, el hematocrito normal de la sangre venosa es 3% mayor en comparación con el de la sangre arterial. En pulmones, el cloruro sale de las células conforme estas se contraen.

DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DEL DIÓXIDO DE CARBONO EN LA SANGRE

Por conveniencia, los diversos destinos del dióxido de carbono en el plasma y los eritrocitos se resumen en el cuadro 35-2. La magnitud del aumento de la capacidad de la sangre para transportar dióxido de carbono está indicada por la diferencia entre las líneas que representan el dióxido de carbono disuelto y el dióxido de carbono total en las curvas de disociación para este compuesto que muestra la figura 35-5.

De los casi 49 ml de dióxido de carbono por cada 100 ml de sangre arterial (cuadro 35-1), 2.6 ml están disueltos, 2.6 ml se encuentran en compuestos carbamino y 43.8 ml se hallan en el bicarbonato. En tejidos, se agregan 3.7 ml de dióxido de carbono por cada 100 ml de sangre; 0.4 ml permanecen en solución, 0.8 ml forman compuestos carbamino y 2.5 ml constituyen bicarbonato. El pH sanguíneo cae de 7.40 a 7.35. En los pulmones, el proceso se invierte y los 3.7 ml de dióxido de carbono se descargan a los alveolos. De esta manera, 200 ml de dióxido de carbono por minuto en reposo y cantidades mucho mayores durante el ejercicio se transportan desde los tejidos a los pulmones y se excretan. Vale la pena señalar que en 24 h, la cantidad de dióxido de carbono equivale a más de 12 500 mEq de iones hidrógeno.

EQUILIBRIO ACIDOBÁSICO Y TRANSPORTE DE GAS

La principal fuente de ácidos en la sangre en estados normales es el metabolismo celular. Gran parte del dióxido de carbono formado por el metabolismo de los tejidos se hidrata hasta ácido carbónico (carbonato) y la carga total de hidrogeniones de esta fuente es mayor de 12 500 mEq/día. Sin embargo, la mayor parte del dióxido de carbono se excreta en los pulmones y pequeñas cantidades de los hidrogeniones restantes se excretan por los riñones.

AMORTIGUACIÓN EN LA SANGRE

Las variaciones de ácido y bases en la sangre están controladas por tres amortiguadores sanguíneos principales: 1) proteínas; 2) hemoglobina y 3) el sistema ácido carbónico-bicarbonato. Las proteínas plasmáticas son amortiguadores eficaces porque tanto sus grupos carboxilo libres como los amino libres se disocian:

El segundo sistema amortiguador radica en la disociación de los grupos imidazol de los residuos de histidina en la hemoglobina:

En el intervalo de pH 7.0 a 7.7, los grupos carboxilo y amino libres de la hemoglobina contribuyen relativamente poco a su capacidad amortiguadora. Sin embargo, la molécula de hemoglobina contiene 38 residuos de histidina y, con base en esto, más el hecho de que la hemoglobina se encuentra en grandes cantidades, la hemoglobina sanguínea tiene una capacidad amortiguadora seis veces mayor que las proteínas plasmáticas. Además, la acción de la hemoglobina es única porque los grupos imidazol de la desoxihemoglobina (Hb) se disocian menos en comparación con los de la oxihemoglobina, lo cual hace de la desoxihemoglobina un ácido más débil y, por tanto, mejor amortiguador que la oxihemoglobina. Las curvas de ajustes o titulación de Hb y de HbO₂ (fig. 35-6), ilustran las diferencias en la capacidad de amortiguación de los hidrogeniones.

El tercer y principal sistema amortiguador en la sangre es el sistema ácido carbónico-bicarbonato:

La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema es:

La pK de este sistema en una solución ideal es bajo (cercano a 3), y la cantidad de ácido carbónico es pequeña y difícil de medir en situaciones idóneas. Sin embargo, en el organismo dicho ácido se encuentra en equilibrio con el dióxido de carbono:

Si pK cambia a pK’ (constante de ionización aparente, la cual se distingue de la pK verdadera porque las condiciones de la solución son inferiores a las ideales) y el [CO₂] se sustituye por [H₂CO₃], la pK’ es de 6.1:

La forma de esta ecuación con relevancia clínica es:

ya que la cantidad de dióxido de carbono disuelto es proporcional a la presión parcial de este mismo y el coeficiente de solubilidad del dióxido de carbono en mmol/L/mmHg es de 0.0301. La concentración de bicarbonato no puede medirse de manera directa, pero el pH y la PCO₂ son sensibles de cuantificarse con exactitud adecuada mediante electrodos de vidrio para pH y dióxido de carbono y, entonces, es posible calcular el [HCO₃^–].

La constante de ionización aparente de este sistema es baja en relación con el pH sanguíneo, pero es uno de los sistemas amortiguadores más eficaces del cuerpo porque la cantidad de dióxido de carbono disuelto se controla con la respiración (p. ej., en un sitema “abierto”). La regulación adicional de la concentración plasmática de bicarbonato ocurre en los riñones. Cuando se agregan hidrogeniones a la sangre, el bicarbonato disminuye conforme se forma más ácido carbónico. Si este último adicional no se convierte en dióxido de carbono y agua (H₂O), y el dióxido de carbono no se excreta por los pulmones, la concentración de ácido carbónico aumentaría. Sin la eliminación de CO₂ para reducir H₂CO₃, la adición suficiente de hidrogeniones que hubiera disminuido a la mitad la concentración plasmática de HCO₃^–, hubiese alterado el pH, de 7.4 a 6.0. Sin embargo, dicho incremento en la concentración de iones H⁺ es tolerada porque: 1) el H₂CO₃ adicional que se forma, es eliminado y 2) el incremento de iones H⁺ estimula la respiración y con ello hace que disminuya Pco₂ de tal forma que se elimina una parte de H₂CO₃ adicional. El pH neto después de un incremento en la concentración de H⁺ como la mencionada en realidad es de 7.2 o 7.3.

Hay dos factores adicionales que hacen del sistema de ácido carbónico-bicarbonato un amortiguador biológico tan eficaz. Primero, la reacción $CO2+H2O⇄H2CO3$ es lenta en ambos sentidos, a menos que esté presente la enzima anhidrasa carbónica. En el plasma no se detecta dicha enzima, pero hay abundancia de ella en los eritrocitos, lo cual confina espacialmente y controla la reacción. Segundo, la presencia de hemoglobina en la sangre aumenta la amortiguación del sistema porque se une con los hidrogeniones libres generados con la hidratación del dióxido de carbono y así es posible el movimiento del bicarbonato al plasma.

El pH normal del plasma arterial es de 7.40 y el del plasma venoso un poco más bajo. Desde el punto de vista técnico, se considera que hay un descenso del pH por debajo de lo normal (acidosis) siempre que el pH sea inferior a 7.40, y que el pH es alto (alcalosis) siempre que la cifra sea mayor de 7.40. En la práctica, existen variaciones de hasta 0.05 unidades de pH sin efectos adversos. Los trastornos acidobásicos se dividen en cuatro categorías: acidosis respiratoria, alcalosis respiratoria, acidosis metabólica y alcalosis metabólica. Además, estos trastornos pueden surgir combinados. En el cuadro 35-3 se presentan algunos ejemplos de los trastornos acidobásicos.

ACIDOSIS RESPIRATORIA

Cualquier aumento de PCO₂ arterial (p. ej., por arriba de 40 mmHg causado por hipoventilación) en el corto plazo culmina en acidosis respiratoria. No hay que olvidar que CO₂ que es retenido está en equilibrio con H₂CO₃, que a su vez está en equilibrio con HCO₃^–. El incremento eficaz en HCO₃^– plasmático significa que se alcanzó un nuevo equilibrio con pH menor. Esto puede representarse en una gráfica de la concentración plasmática de bicarbonato en comparación con el pH (fig. 35-7). El cambio de pH observado con cualquier aumento de la PCO₂ durante la acidosis respiratoria depende de la capacidad de amortiguación de la sangre. Los cambios iniciales mostrados en la figura 35-7 son los que ocurren de manera independiente de cualquier mecanismo compensador; o sea, son los de la acidosis respiratoria decompensada.

ALCALOSIS RESPIRATORIA

Cualquier decremento a corto plazo en la ventilación que disminuya la PCO₂ por debajo de la necesaria para el intercambio adecuado de dióxido de carbono (o sea, menor de 35 mmHg) causa alcalosis respiratoria. El decremento de dióxido de carbono desvía el equilibrio del sistema ácido carbónico-bicarbonato para disminuir de manera efectiva la concentración de hidrogeniones y aumentar el pH. Como en la acidosis respiratoria, los cambios iniciales en el pH correspondientes a la alcalosis respiratoria (fig. 35-7) ocurren de manera independiente a cualquier mecanismo de compensación y, por tanto, se refieren a la alcalosis respiratoria decompensada.

ACIDOSIS Y ALCALOSIS METABÓLICAS

Los cambios en el pH sanguíneo también pueden ser resultado de un mecanismo no respiratorio. La acidosis metabólica (o acidosis no respiratoria) aparece cuando se agregan ácidos fuertes a la sangre. Por ejemplo, si se ingiere gran cantidad de ácido (p. ej., sobredosis de ácido acetilsalicílico), los ácidos de la sangre aumentan con rapidez. El ácido carbónico que se forma, se convierte en agua y dióxido de carbono, y este se excreta pronto por vía pulmonar. Esta es la situación en la acidosis metabólica decompensada (fig. 35-7). Nótese que en contraste con la acidosis respiratoria, la PCO₂ no cambia y la variación hacia la acidosis metabólica ocurre a lo largo de la línea isobárica (fig. 35-8). Cuando la concentración de hidrogeniones libres cae a causa de la adición de álcali o, más a menudo, por eliminación de grandes cantidades de ácido (p. ej., después del vómito), se produce alcalosis metabólica. En la alcalosis metabólica decompensada, el pH aumenta a lo largo de la línea isobárica (figs. 35-7 y 35-8).

COMPENSACIONES RESPIRATORIA Y RENAL

Como se describió antes, la acidosis y la alcalosis descompensadas se ven pocas veces a causa de los sistemas de compensación. Dos de estos son muy importantes y corresponden a la compensación respiratoria y la compensación renal.

El aparato respiratorio compensa la acidosis o la alcalosis metabólicas mediante la modificación ventilatoria y, por consiguiente, la PCO₂ cambia de modo directo el pH sanguíneo. Los mecanismos respiratorios tienden a ser rápidos. Como respuesta a la acidosis metabólica, la ventilación se incrementa; esto disminuye la PCO₂ (p. ej., de 40 a 20 mmHg), con aumento subsiguiente en el pH hacia la normalidad (fig. 35-8). Como respuesta a la alcalosis metabólica, se reduce la ventilación, la PCO₂ se incrementa y hay un descenso consecuente en el pH. Como la compensación respiratoria es una respuesta rápida, la representación gráfica en la figura 35-8 subraya el ajuste del pH sanguíneo en dos pasos. En realidad, en cuanto inicia la acidosis metabólica, se induce la compensación respiratoria y el pH se protege contra las amplias desviaciones mostradas.

Para la compensación completa de la acidosis-alcalosis respiratoria o metabólica, se fomentan los mecanismos de amortiguación renales. Los riñones responden a la acidosis mediante la secreción activa de ácidos fijos al tiempo que retienen el bicarbonato filtrado. En contraste, los riñones reaccionan a la alcalosis con decremento de la secreción de hidrogeniones y de la retención del bicarbonato filtrado.

Las células del túbulo renal tienen anhidrasa carbónica activa, por lo cual pueden generar hidrogeniones y bicarbonato a partir de dióxido de carbono. Como respuesta a la acidosis, estas células secretan hidrogeniones hacia el líquido tubular a cambio de sodio, mientras absorben de manera activa el bicarbonato hacia el capilar peritubular; por cada hidrogenión secretado, se agregan una molécula de ion sodio y una de bicarbonato a la sangre. El resultado de esta compensación renal de la acidosis respiratoria se muestra de manera gráfica en el cambio de acidosis respiratoria aguda a crónica en la figura 35-7. Por el contrario, en la reacción a la alcalosis los riñones disminuyen la secreción de hidrogeniones y deprimen la reabsorción de bicarbonato. El resultado de esta compensación renal ante la alcalosis respiratoria se muestra de manera gráfica en la desviación de la alcalosis respiratoria aguda a la crónica en la figura 35-7. En el recuadro clínico 35-2 se exponen las valoraciones clínicas del estado acidobásico y en el capítulo 38 se revisa con mayor detalle la participación de los riñones en la homeostasia acidobásica.

La hipoxia es la deficiencia de oxígeno en los tejidos. Es un término más correcto que anoxia, ya que rara vez hay ausencia completa de oxígeno en aquéllos.

Se han usado muchas otras clasificaciones, pero dicha división todavía tiene utilidad considerable si se mantienen presentes las definiciones de los términos. Las cuatro categorías son: 1) hipoxemia (referida a veces como hipoxia hipóxica), en la cual disminuye la PO₂ de la sangre arterial; 2) hipoxia anémica, donde la PO₂ es normal, pero la cantidad de hemoglobina disponible para transportar el oxígeno es baja; 3) hipoxia isquémica o por estancamiento, en la cual el flujo sanguíneo a un tejido es tan bajo que no llega suficiente oxígeno, a pesar de la PO₂ y la concentración de hemoglobina normales, y 4) hipoxia histotóxica, en la que la cantidad de oxígeno que llega al tejido es adecuada, pero por la acción de un agente tóxico, las células del tejido no pueden utilizar el oxígeno que les llega. En el recuadro clínico 35-3 se presentan algunos efectos específicos de la hipoxia en las células y los tejidos.

Por definición, la hipoxemia es un trastorno por descenso de la PO₂ arterial. Constituye un problema en las personas normales en grandes altitudes; también es una complicación de la neumonía y diversas enfermedades más del sistema respiratorio.

EFECTOS DE LA DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN BAROMÉTRICA

La composición del aire es la misma, pero la presión barométrica total se reduce conforme aumenta la altitud (fig. 35-9). Por tanto, la PO₂ también disminuye. A 3 000 m (10 000 pies) sobre el nivel del mar, la PO₂ alveolar es cercana a 60 mmHg y existe una estimulación hipóxica suficiente de los quimiorreceptores para inducir un aumento definitivo en la ventilación. Conforme se asciende más, la PO₂ alveolar disminuye con menor rapidez y la PCO₂ se reduce un poco por la hiperventilación. La caída que resulta en la PCO₂ arterial produce alcalosis respiratoria. Varios mecanismos de compensación operan algún tiempo para aumentar la tolerancia a la altitud (aclimatación), pero en sujetos no aclimatados, los síntomas mentales, como irritabilidad, aparecen cerca de los 3 700 m. A 5 500 m, los síntomas hipóxicos son graves y a una altitud mayor de 6 100 m (20 000 pies) casi siempre se pierde el estado de conciencia.

SÍNTOMAS HIPÓXICOS Y RESPIRACIÓN DE OXÍGENO

Algunos de los efectos de las grandes altitudes se pueden corregir si se respira oxígeno puro (100%). En la situación mencionada, la tensión atmosférica total se torna el factor limitante para tolerar la altura.

La presión parcial del vapor de agua en el aire alveolar es constante en 47 mmHg y la de dióxido de carbono normal corresponde a 40 mmHg; por esto, la presión barométrica más baja a la cual es posible obtener una PO₂ alveolar normal de 100 mmHg es de 187 mmHg, la que existe a una altura cercana a 10 400 m (34 000 pies). A una mayor altitud, el aumento de la ventilación causado por el descenso de la PO₂ alveolar reduce un poco la PCO₂ alveolar, pero la PO₂ máxima que puede obtenerse cuando se respira oxígeno al 100% con la presión barométrica ambiental de 100 mmHg a 13 700 m es cercana a 40 mmHg. A los 14 000 m, se pierde el estado de conciencia aunque se proporcione oxígeno al 100%. A 19 200 m la presión barométrica es de 47 mmHg y con esa presión o una inferior, los líquidos corporales hierven a temperatura corporal. Sin embargo, el asunto es académico porque cualquier individuo expuesto a una presión tan baja estaría muerto por hipoxia antes que las burbujas de vapor pudieran causar la muerte.

Por supuesto que puede crearse una atmósfera artificial alrededor de un individuo; en una sala o una cabina presurizada con oxígeno y un sistema para eliminar el dióxido de carbono, es posible ascender a cualquier altitud y vivir en el vacío del espacio interplanetario. En el recuadro clínico 35-4 se describen algunos efectos tardíos de las grandes altitudes.

ACLIMATACIÓN

La aclimatación a la altura se debe a la operación de varios mecanismos compensadores. La alcalosis respiratoria generada por la hiperventilación desplaza la curva de disociación de oxígeno-hemoglobina a la izquierda, pero un aumento concomitante en el 2,3-difosfoglicerato eritrocítico tiende a disminuir la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. El efecto neto es un pequeño incremento en la P₅₀. El descenso de la afinidad por el oxígeno, hace a este más disponible para los tejidos. Sin embargo, el valor del aumento en la P₅₀ es limitado porque cuando la PO₂ arterial se reduce mucho, la disminución de la afinidad por el oxígeno también interfiere con la captación de este por la hemoglobina en los pulmones.

La respuesta ventilatoria inicial al aumento de altitud es relativamente pequeña, ya que la alcalosis tiende a contrarrestar el efecto estimulante de la hipoxia. Sin embargo, la ventilación aumenta de forma constante en los cuatro días siguientes (fig. 35-10) porque el transporte activo de hidrogeniones al LCR o tal vez debido a la aparición de acidosis láctica en el cerebro inducen un descenso en el pH del líquido cefalorraquídeo que aumenta la respuesta a la hipoxia. Después de cuatro días, la reacción ventilatoria empieza a disminuir despacio, pero se requieren años de residencia a grandes altitudes para que se reduzca hasta el valor inicial. Si es que se alcanza.

La secreción de eritropoyetina aumenta pronto cuando se asciende a una gran altitud y luego disminuye un poco en los cuatro días siguientes, conforme la respuesta ventilatoria se incrementa y la PO₂ arterial se eleva. El incremento en los eritrocitos circulantes estimulado por la eritropoyetina inicia en dos a tres días y se sostiene mientras el sujeto permanezca a gran altitud. También se observan cambios compensadores en los tejidos. Aumenta la cantidad de mitocondrias, las cuales constituyen el sitio de las reacciones oxidativas; la mioglobina se incrementa, lo cual facilita el desplazamiento de oxígeno a los tejidos. El contenido hístico de citocromooxidasa también se eleva.

La eficacia del proceso de aclimatación se comprueba por la presencia de asentamientos humanos permanentes en los Andes y la cordillera del Himalaya, a alturas superiores a 5 500 m (18 000 pies). Los nativos de esas villas tienen tórax en tonel y policitemia marcada. Sus valores de PO₂ alveolar son bajos, pero en casi todos los demás aspectos, son notablemente normales.

La hipoxemia es la presentación observada más a menudo en clínica. Las enfermedades que la causan pueden dividirse en aquéllas con deficiencia del aparato de intercambio gaseoso; aquellas, como la cardiopatía congénita en la cual se desvían grandes cantidades de sangre del lado venoso de la circulación al arterial, y aquellas donde falla la bomba respiratoria. La insuficiencia pulmonar ocurre cuando trastornos, como la fibrosis pulmonar, originan bloqueo alveolocapilar, o cuando hay desequilibrio entre ventilación y perfusión. La falla de la bomba se debe a la fatiga de los músculos respiratorios en trastornos en los cuales aumenta el trabajo respiratorio o en caso de diversos defectos mecánicos, como neumotórax u obstrucción bronquial que limitan la ventilación. Asimismo, la falla de la bomba tal vez sea resultado de anomalías en los mecanismos nerviosos que controlan la ventilación, como depresión de las neuronas respiratorias en el bulbo raquídeo por morfina y otros fármacos. A continuación se describen algunas causas específicas de la hipoxemia.

CORTOCIRCUITOS VENOARTERIALES

Cuando una anomalía cardiovascular, como la comunicación interauricular, permite que grandes cantidades de sangre venosa no oxigenada eviten el paso por los capilares pulmonares y diluyan la sangre oxigenada en las arterias sistémicas (“cortocircuito de derecha a izquierda”), resulta hipoxemia crónica y cianosis (cardiopatía congénita cianótica). La administración de oxígeno puro (100%) aumenta el contenido de oxígeno en el aire alveolar, pero ejerce poco efecto en la hipoxia por cortocircuitos venoarteriales; esto se debe a que la sangre venosa desoxigenada no tiene la oportunidad de llegar al pulmón para ser oxigenada.

DESEQUILIBRIO ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN

El desequilibrio referido en parches es, por mucho, la causa más frecuente de hipoxemia en situaciones clínicas. En enfermedades que impiden la ventilación de algunos alveolos, la proporción entre ventilación y flujo sanguíneo en distintas partes de los pulmones determina la magnitud del declive en laPO₂ arterial. Si hay perfusión en los alveolos no ventilados, la parte del pulmón con flujo sanguíneo, pero sin ventilación, en realidad es un cortocircuito de derecha a izquierda que vacía sangre no oxigenada al lado izquierdo del corazón. Son más frecuentes los grados menores de desequilibrio en la ventilación-perfusión. En el ejemplo de la figura 35-11, el segmento de ventilación-perfusión equilibrado en la mitad izquierda ilustra una distribución uniforme durante todo el intercambio gaseoso. Sin embargo, cuando la ventilación no está en equilibrio con la perfusión, se compromete el intercambio de oxígeno. Hay que destacar que los alveolos subventilados (B) tienen PO₂ alveolar bajo, en tanto que los alveolos sobreventilados (A) tienen PO₂ alveolar alto, pero ambos tienen el mismo flujo sanguíneo. Sin embargo, la falta de saturación de la hemoglobina en la sangre que proviene de B no se compensa del todo por la mayor saturación de la sangre proveniente de A, ya que en condiciones normales la hemoglobina se halla casi saturada en los pulmones y una PO₂ arterial más alta agrega solo un poco más de oxígeno a la hemoglobina del que ya transporta. Por consiguiente, la sangre arterial no se satura. Por otro lado, el contenido de dióxido de carbono en la sangre arterial casi siempre es normal en tales situaciones, ya que la pérdida adicional de dicho gas en las regiones demasiado ventiladas puede equilibrar la pérdida menor en las áreas hipoventiladas.

HIPOXIA ANÉMICA

La hipoxia causada por anemia no es tan grave en reposo, a menos que la deficiencia de hemoglobina sea marcada, ya que el 2,3-difosfoglicerato de los eritrocitos aumenta. Sin embargo, los pacientes anémicos pueden tener dificultad considerable durante el ejercicio por la capacidad limitada para aumentar el aporte de oxígeno a los tejidos activos (fig. 35-12).

INTOXICACIÓN POR MONÓXIDO DE CARBONO

En el organismo se forman pequeñas cantidades de monóxido de carbono (CO) y es probable que este gas funcione como mensajero químico en el cerebro y otros sitios; en mayores cantidades, es tóxico. Fuera del cuerpo, este compuesto se forma por la combustión incompleta del carbono. Los griegos y los romanos lo usaban para ejecutar criminales; hoy en día, genera más muertes que cualquier otro gas. La intoxicación por monóxido de carbono se ha vuelto menos frecuente en Estados Unidos desde que el gas natural, que no contiene monóxido de carbono, sustituyó a los gases artificiales, como el de carbón, que contiene grandes cantidades de este compuesto. Sin embargo, el escape de las máquinas a gasolina contiene 6% o más de monóxido de carbono.

Este último es tóxico pues reacciona con la hemoglobina para formar carboxihemoglobina (COHb), la cual no capta oxígeno (fig. 35-12). La intoxicación por monóxido de carbono a menudo se lista como una modalidad de hipoxia anémica porque la cantidad de hemoglobina que puede transportar oxígeno está reducida, pero el contenido total de hemoglobina en sangre no se modifica con el monóxido de carbono. La afinidad de la hemoglobina por este último es 210 veces mayor que su afinidad por oxígeno, y la carboxihemoglobina libera el monóxido de carbono muy despacio. Una dificultad adicional es que en presencia de carboxihemoglobina, la curva de disociación de la oxihemoglobina (HbO₂) restante se desvía a la izquierda, lo cual disminuye la cantidad de oxígeno liberado. Por esta razón, un sujeto anémico con 50% de la cantidad normal de oxihemoglobina puede realizar un trabajo moderado, mientras un individuo con reducción de oxihemoglobina al mismo nivel por la formación de carboxihemoglobina presenta una incapacidad grave.

Debido a la afinidad del monóxido de carbono por la hemoglobina, la formación de carboxihemoglobina ocurre cuando la PCO₂ alveolar es mayor de 0.4 mmHg. Sin embargo, la cantidad de carboxihemoglobina formada depende de la duración de la exposición al monóxido de carbono, de la concentración de este en el aire inspirado y de la ventilación alveolar.

El monóxido de carbono también es tóxico para los citocromos de los tejidos, pero la cantidad necesaria de dicho compuesto para intoxicar los citocromos es 1 000 veces mayor que la dosis letal; por tanto, la toxicidad hística no participa en la intoxicación clínica por monóxido de carbono.

Los síntomas de intoxicación con este último son los de cualquier tipo de hipoxia, en especial cefalea y náusea, pero la estimulación respiratoria es baja, ya que en la sangre arterial, la PO₂ permanece normal; por esto, los quimiorreceptores carotídeos y aórticos no se estimulan. El color rojo cereza de la carboxihemoglobina es visible en piel, lechos ungueales (tejido sobre el que descansan las uñas) y mucosas. La muerte se produce cuando cerca de 70 a 80% de la hemoglobina circulante se convierte en carboxihemoglobina. Los síntomas generados por la exposición crónica a concentraciones no letales de monóxido de carbono son los del daño cerebral progresivo, los cuales incluyen cambios mentales y a veces un estado similar al parkinsonismo.

El tratamiento de la intoxicación con monóxido de carbono consiste en terminación inmediata de la exposición y con apoyo ventilatorio adecuado, con respiración asistida en caso necesario. Es preferible la ventilación con oxígeno a aquélla con aire fresco, ya que el oxígeno acelera la disociación de la carboxihemoglobina. La oxigenación hiperbárica (véase más adelante) es útil en esta situación.

HIPOXIA ISQUÉMICA

La hipoxia isquémica, o hipoxia por estancamiento, se debe a la circulación lenta y es un problema en órganos, como riñones y corazón, durante el choque. El hígado y tal vez el cerebro se dañan con la hipoxia por hipoperfusión que hay en la insuficiencia cardiaca congestiva. El flujo sanguíneo pulmonar normal es muy alto y es necesaria la hipotensión prolongada para producir un daño significativo. No obstante, el colapso circulatorio prolongado puede ocasionar síndrome de insuficiencia respiratoria aguda (ARDS).

HIPOXIA HISTOTÓXICA

La hipoxia originada por la inhibición de los procesos oxidativos en los tejidos casi siempre es resultado de la intoxicación por cianuro. El cianuro inhibe la citocromooxidasa y tal vez otras enzimas. El tratamiento de dicha intoxicación incluye azul de metileno o nitritos; estos actúan mediante la formación de metahemoglobina, la cual luego reacciona con el cianuro para formar cianometahemoglobina, un compuesto no tóxico. Por supuesto, la intensidad del tratamiento con tales sustancias está limitada por la cantidad de metahemoglobina que puede formarse de manera segura. La oxigenación hiperbárica también es útil.

TRATAMIENTO DE LA HIPOXIA CON OXÍGENO

La administración de mezclas gaseosas ricas en oxígeno tiene muy poco valor en la hipoxia por hipoperfusión, anémica o histotóxica porque lo único que puede lograrse de este modo es un aumento en la cantidad de oxígeno disuelto en la sangre arterial. Esto también se aplica a la hipoxemia cuando se debe a la desviación de sangre venosa no oxigenada fuera de los pulmones. En otras modalidades de hipoxemia, el oxígeno es muy provechoso. Los regímenes terapéuticos que emplean una concentración de oxígeno menor de 100% son valiosos en las etapas aguda y crónica, y la utilización de oxígeno de esta forma las 24 h del día durante dos años disminuye significativativamente la mortalidad de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica. La toxicidad y las medidas terapéuticas con oxígeno se describen en el recuadro clínico 35-5.

HIPERCAPNIA

Al principio, la retención de dióxido de carbono en el cuerpo (hipercapnia) estimula la respiración. La retención de cantidades mayores produce síntomas como confusión, disminución de la agudeza sensitiva y, finalmente, coma, con depresión respiratoria y muerte, por la menor actividad del sistema nervioso central. En individuos con los síntomas mencionados se advierte incremento extraordinario de PCO₂ y acidosis respiratoria intensa. Se excretan grandes cantidades de bicarbonato, pero es más lo que se reabsorbe, lo cual eleva el bicarbonato plasmático y compensa de manera parcial la acidosis.

El dióxido de carbono es con mucho más soluble comparado con el oxígeno, por lo cual la hipercapnia rara vez constituye un problema en pacientes con fibrosis pulmonar. Sin embargo, esta aparece en la desigualdad entre ventilación y perfusión, y también cuando por cualquier razón la ventilación alveolar es inadecuada en las diversas presentaciones de la falla de bomba. Se exacerba cuando la producción de dióxido de carbono aumenta. Por ejemplo, en pacientes febriles hay incremento de 13% en la generación de dióxido de carbono por cada incremento de 1°C en la temperatura, y el consumo elevado de carbohidratos aumenta la producción de dióxido de carbono por la elevación del cociente respiratorio. En situaciones normales, la ventilación alveolar se incrementa y se espira el dióxido de carbono adicional, pero se acumula cuando se afecta la ventilación.

HIPOCAPNIA

La hipocapnia es resultado de la hiperventilación. Durante la hiperventilación voluntaria, la PCO₂ arterial cae de 40 hasta 15 mmHg, mientras la PO₂ se eleva hasta 120 o 140 mmHg.

Los efectos más duraderos de la hipocapnia se observan en pacientes neuróticos con hiperventilación crónica. El flujo sanguíneo cerebral debe reducirse 30% o más por el efecto constrictor directo de la hipocapnia en los vasos cerebrales. La isquemia cerebral causa ligero aturdimiento, mareo y parestesias. La hipocapnia también aumenta el gasto cardiaco. Tiene efecto constrictor directo en muchos vasos periféricos, pero deprime el centro vasomotor, por lo que la presión sanguínea casi siempre permanece sin cambios o solo se incrementa un poco.

Otras consecuencias de la hipocapnia se deben a la alcalosis respiratoria relacionada, el pH sanguíneo aumenta a 7.5 o 7.6. El nivel plasmático de bicarbonato es bajo, pero la reabsorción de bicarbonato disminuye por la inhibición de la secreción de ácido renal por la PCO₂ baja. El nivel plasmático total de calcio no cambia, pero el de Ca²⁺ iónico plasmático disminuye y las personas con hipocapnia presentan espasmo carpopedal, signo de Chvostek y otros signos de tetania.

• Las diferencias de la presión parcial de oxígeno y dióxido de carbono en aire y en sangre dictan el flujo neto de oxígeno hacia la sangre y de dióxido de carbono fuera de la sangre en el sistema pulmonar. 

• La concentración de oxígeno en sangre depende de la cantidad disuelta (menor) y la porción unida (mayor) con la hemoglobina. Cada molécula de hemoglobina contiene cuatro subunidades y cada una puede unirse con el oxígeno. La unión cooperativa de hemoglobina con oxígeno también depende del pH, la temperatura y la concentración de 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG).

• El dióxido de carbono en sangre se convierte pronto en ácido carbónico por la actividad de la anhidrasa carbónica. El dióxido de carbono también forma con facilidad compuestos carbamino con las proteínas sanguíneas (incluida la hemoglobina). La pérdida neta rápida de dióxido de carbono permite que más de este se disuelva en la sangre.

• El pH plasmático es de 7.4. El descenso en el pH plasmático se denomina acidosis y el aumento se llama alcalosis. El cambio a corto plazo en PCO₂ arterial causado por disminución de la ventilación da como resultado acidosis respiratoria. La modificación a corto plazo de PCO₂ arterial por incremento de la ventilación da como resultado alcalosis respiratoria. La acidosis metabólica aparece cuando se agregan a la sangre ácidos fuertes y la alcalosis metabólica se produce cuando se agregan bases potentes a la sangre (o se extraen de la misma ácidos potentes).

• La compensación respiratoria de la acidosis o la alcalosis implica cambios respiratorios rápidos. Estos cambios modifican de manera efectiva la PCO₂ en el plasma. Los mecanismos de compensación renal son mucho más lentos e incluyen secreción de hidrogeniones o reabsorción de bicarbonato.

• La hipoxia es la deficiencia de oxígeno en los tejidos; tiene fuertes consecuencias en los ámbitos celular, hístico y orgánico; puede alterar los factores de transcripción celular y, por tanto, la expresión de proteínas; es capaz de modificar con rapidez la función cerebral y generar síntomas similares a los del alcohol (p. ej., mareo, alteración de la función mental, somnolencia, cefalea), y quizá afecte la ventilación. La hipoxia a largo plazo puede producir muerte celular e hística.