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En los capítulos previos se analizó la forma en cómo el oxígeno ambiental alcanza la sangre arterial, de tal manera que en un adulto sano —aunque la presión venosa de oxígeno (PvO2) tenga un valor medio de 40 mmHg (5.3 kPa) y la existente a la salida del capilar pulmonar (PcO2) sea de unos 104 mmHg (13.8 kPa)— la presión arterial de oxígeno (PaO2) media está cercana a los 95-100 mmHg (12.6-13.3 kPa). Este ligero descenso se debe a la incorporación de parte de la sangre procedente de la circulación bronquial y coronaria, que realiza un cortocircuito con el pulmón y se mezcla con la sangre arterializada.
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El oxígeno se transporta por la sangre de varias formas:
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La capacidad de transportar oxígeno disuelto es limitada, por eso sólo una pequeña parte de este gas, alrededor de 1%, se encuentra disuelto en plasma. Esto se explica por el bajo coeficiente de solubilidad de este gas en medio líquido (0.003 mL O2 · 100 mL−1 plasma · 0.13 mmHg−1) como consecuencia de la apolaridad de la molécula, lo que dificulta el establecimiento de interacciones entre ésta y las moléculas de agua del plasma. De esta forma, por cada mmHg de presión parcial arterial de oxígeno (PaO2), se transportan sólo 0.003 mL O2/100 mL de sangre, de tal modo que en condiciones normales, la sangre arterial contiene sólo unos 0.3 mL O2/100 mL. Es fácil apreciar que dicha cifra está lejos de los requerimientos de oxígeno de todo el organismo. Por tanto, es evidente que es preciso contar con un método alternativo con mayor capacidad de transporte.
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Oxígeno unido a hemoglobina
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La sangre transporta la mayor parte del O2 combinado de forma reversible con la hemoglobina (Hb), lo que se conoce como oxihemoglobina (O2Hb); esto es consecuencia de la elevada capacidad de combinación del oxígeno con dicha molécula (1.34 mL O2/g Hb).
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La Hb es la proteína de mayor tamaño de los hematíes. La molécula consiste en un tetrámero de 574 aminoácidos, con un peso molecular cercano a 64 800 daltones. En ella debe distinguirse una parte proteica (la globina) y el grupo hemo. A su vez, el grupo hemo se compone de un átomo de hierro (Fe++) unido a un anillo porfirínico (protoporfirina IX). Dicho átomo de Fe++ es el que se combina de forma reversible con el oxígeno, por tanto, pueden transportarse un total de cuatro moléculas de oxígeno por cada molécula de hemoglobina. Un factor importante de esta unión es que el oxígeno no se combina con los enlaces positivos del Fe++ en la molécula de Hb, es decir que no se convierte en oxígeno iónico y en su lugar se une de forma laxa y reversible a uno de los llamados enlaces de coordinación del átomo de Fe++.
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Pero la Hb no sólo se une con el oxígeno, también lo hace con otros elementos y con otro tipo de enlaces conocidos como dishemoglobinas y constituidos sobre todo por carboxihemoglobina (COHb), sulfahemoglobina (SFHb) y metahemoglobina (MtHb), que apenas ocupan enlaces de Hb y por lo general no tienen repercusión en el transporte total del oxígeno en la persona sana.
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Capacidad de oxígeno, saturación de oxígeno y contenido de oxígeno en sangre
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La cantidad máxima de oxígeno capaz de combinarse con la Hb se denomina capacidad de oxígeno. La concentración normal media de Hb en la sangre es de 15 g/dL, con ello la capacidad máxima posible de transporte de oxígeno es de (15 g/dL × 1.34 mL O2/g Hb) unos 20.85 mL O2/dL.
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La saturación de oxígeno de la Hb (SaO2) es el porcentaje de lugares de unión disponibles en la molécula que han sido ocupados por el oxígeno. La SaO2 de la sangre arterial para una PaO2 de 100 mmHg (13.3 kPa) es de alrededor de 97.5%, mientras que en la sangre venosa mixta es cercana a 75%.
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El contenido en oxígeno de la sangre arterial (CaO2) está determinado por la cantidad real de oxígeno presente en la misma. La cantidad total de oxígeno transportado por la sangre arterial expresada en mL O2/dL es la suma del oxígeno ya mencionado (unido a la Hb), con el que transcurre libremente disuelto en el plasma; de esta forma:
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En condiciones normales (PaO2 100 mmHg; SaO2 Hb 97.5%) es posible estimar que el contenido arterial de oxígeno es de 20 mL O2/dL de sangre.
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Para calcular la extracción tisular de oxígeno en cualquier situación deberá utilizar esta fórmula y medir la diferencia entre las muestras de sangre arterial y venosa, aunque esta simple cantidad no implica la utilización tisular del oxígeno. Al pasar por los capilares tisulares, esta cantidad de O2 se reduce (PaO2 40 mmHg; SaO2 Hb 75%) hasta 15 mL O2/dL sangre. En condiciones normales, se extraen 5 mL O2/dL de sangre, de esta forma se logra transportar el oxígeno requerido por los tejidos.
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Aporte sistémico de oxígeno
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Además de la función pulmonar y de la capacidad de transporte de oxígeno por los hematíes es pertinente considerar un tercer factor en el aporte sistémico de oxígeno a los tejidos: el flujo sanguíneo. La existencia de un gasto cardíaco (QT) adecuado es imprescindible para que la Hb cargada de oxígeno alcance los tejidos y consiga liberar la molécula.
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Existe una ecuación que engloba los tres primeros eslabones de la cadena de transferencia de oxígeno desde la atmósfera hasta la mitocondria (función pulmonar, transporte de oxígeno en la sangre y gasto cardíaco), denominada flujo sistémico de oxígeno (QO2). Consiste en el producto del QT (L/min) por el CaO2 (mL O2/dL) y expresa el aporte de la sangre arterial (mL O2/min)
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En condiciones normales (QT 5 L/min, CaO2 200 mL O2/L) el QO2 es de 1 000 mL O2/min.
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Curva de disociación de la oxihemoglobina
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Si es importante que la sangre sea capaz de transportar el oxígeno necesario para la actividad celular, aún lo es más que sea capaz de transferirlo a los tejidos, pues de otra manera perdería su funcionalidad. Este fenómeno está condicionado por lo que se conoce como curva de disociación de la oxihemoglobina.
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Como se ha señalado, la relación entre las moléculas de oxígeno y la Hb es laxa, reversible y depende en esencia de la presión parcial arterial de oxígeno (PaO2). Cuando la PaO2 es elevada como en los capilares pulmonares (zona de carga), el oxígeno se une a la Hb, pero cuando es baja como en el caso de los capilares tisulares (zona de liberación), la Hb se desprende del oxígeno. La figura 52-1 muestra que la relación entre el oxígeno y la SaO2 sigue una forma característica de “S” itálica. La forma sigmoidea de esta curva es altamente rentable desde el punto de vista fisiológico. En el sujeto normal, los valores de la PaO2 se hallan en la zona plana de la curva, lo que permite cambios de ésta relativamente elevados sin cambios significativos en el CaO2. Por el contrario, en el capilar la PaO2 se sitúa en la zona lineal (de mayor pendiente) de la curva, lo que facilita la liberación de oxígeno desde el hematíe a la célula, con cambios relativamente pequeños en la PaO2, por tanto, asegura el mantenimiento de la presión de difusión de oxígeno desde el plasma a la mitocondria.
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La curva de disociación de la hemoglobina permite mantener una estabilidad en la concentración tisular de oxígeno, lo que se conoce como sistema de amortiguación de la Hb. En primer lugar, consigue que las cantidades de oxígeno proporcionadas al tejido varíen en función de su demanda. Durante el ejercicio aumenta la demanda de O2 y un simple descenso de la PaO2 tisular permitirá que aumenten las cantidades de oxígeno liberadas. En segundo lugar, la concentración tisular no se ve influenciada por la presión alveolar de oxígeno (PaO2). Cuando la PaO2 disminuye hasta los 60 mmHg (8 kPa), la SaO2 desciende sólo un 8% para situarse en 89%, por tanto apenas varía el CaO2. Cuando la situación es inversa y la PaO2 aumenta por encima de los 500 mmHg (66.5 kPa), la SaO2 sólo puede alcanzar el 100%, cerca de un 3% más de lo habitual. Esto se traduce en un mínimo aumento del CaO2, por lo que al pasar por los capilares, la PaO2 seguirá en descenso hasta los 40 mmHg (5.3 kPa). Esto impide que los tejidos dispongan de grandes concentraciones de oxígeno y que se produzca la toxicidad secundaria a este hecho.
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Factores que modifican la afinidad de la curva de disociación de la oxihemoglobina
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La curva de disociación de la oxihemoglobina posee la característica de desplazarse, es decir, de variar en función de diversos factores, por ello tiene una notable repercusión fisiológica.
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La posición de la curva puede cuantificarse mediante la variable P50, que corresponde a la PaO2 en la que la SaO2 es del 50%. El valor normal de P50 es de 27 mmHg (3.6 kPa), cuanto más alta es la P50 mayor es el desplazamiento de la curva de disociación de oxihemoglobina hacia la derecha y menor es la afinidad de la Hb por el oxígeno. En definitiva se necesita una mayor PaO2 para lograr el mismo porcentaje de saturación.
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Cuando la curva se desplaza hacia la izquierda ocurre el fenómeno contrario, se necesita menor PaO2 para obtener la misma saturación, por lo que la P50 es menor.
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La P50 presenta una relación directa con los cambios en:
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Cuando el pH sanguíneo disminuye, entonces la curva de disociación se desplaza hacia la derecha; por el contrario, el incremento del pH desplaza la curva hacia la izquierda.
La presión arterial de dióxido de carbono (PaCO2) (efecto Bohr). El desplazamiento de la curva de disociación de la oxihemoglobina en respuesta a las variaciones del CO2 y los hidrogeniones (H+) sanguíneos se denomina efecto Bohr. Cuando alcanza el torrente sanguíneo el CO2 se hidrata, con lo que se produce ácido carbónico y libera una molécula de H+. Esto genera una variación del pH que repercute en la curva de disociación.
Los fosfatos inorgánicos intraeritrocitarios (2,3-DPG), los cuales son un producto final del metabolismo de glucólisis anaerobia del glóbulo rojo. Se estima que la concentración media es de 12.3 ± 1.87 µmol/g Hb. Si aumenta su concentración (en situaciones de hipoxia crónica, enfermedad renal o cardíaca crónica, anemia, hipertiroidismo) se desplaza la curva a la derecha, debido a que al poseer cuatro cargas negativas en su molécula disminuye el pH intraeritrocitario. Cada incremento de 0.4 µmol/mL de 2,3-DPG desplaza la curva 1 mmHg hacia la derecha. Por ejemplo, en sujetos sometidos a hipoxia crónica por vivir a grandes alturas, los niveles se sitúan en torno de 20 µmol/g Hb. Por el contrario, cuando disminuye su concentración (policitemia, acidosis, transfusión sanguínea, enfermedad del 2,3-DPG) la curva se desplaza hacia la izquierda. Por ejemplo, los niveles de 2,3-DPG en las bolsas de concentrados de hematíes de los centros de transfusión disminuyen hasta un 75% a la semana de estar almacenados.
La temperatura corporal, aunque con poca significación fisiológica aumenta la disociación y viceversa.
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En resumen, el metabolismo celular produce cambios en diversas variables con el consecuente desplazamiento de la curva de disociación de Hb hacia la derecha (aumento de la P50), de forma que se disminuye la afinidad de la Hb por el oxígeno. Así, se opera en la zona de mayor pendiente de la curva de disociación de la oxihemoglobina y, en definitiva, se facilita la liberación de oxígeno desde el hematíe hacia la célula. En el capilar pulmonar estos tres factores actúan de manera inversa (disminución de la P50), aumentan la afinidad de la Hb por el oxígeno y favorecen la transferencia de oxígeno desde el alvéolo a la sangre.
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Tal como se mencionó, existen otros factores que pueden interferir en la unión de la Hb con el oxígeno. Uno de los más importantes por su relativa frecuencia es la presencia de monóxido de carbono (CO), el cual es el fruto de la combustión incompleta de la materia orgánica. Cuando los constituyentes carbonados se queman en presencia de suficiente cantidad de oxígeno, el producto final es CO2 y agua (H2O). Cuando esta reacción química tiene lugar en condiciones precarias de oxígeno, el producto final es el CO.
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Su concentración habitual se halla entre el 1 al 2% del total de la hemoglobina en sangre y procede, en esencia, de una producción endógena, en su mayoría del catabolismo de las proteínas del grupo “hem”. Se calcula que se producen 0.4 mL/hora de CO, aunque existe también una fuente externa de producción de CO. El componente exógeno de este monóxido en la sangre es secundario a su inhalación. El CO ambiental es, sobre todo, un efecto de la contaminación de las grandes ciudades (automóviles y aparatos de aire acondicionado), aunque no es desdeñable la participación de los quemadores de gas en malas condiciones en el interior de los domicilios. También el tabaquismo produce un aumento en la sangre; dado que tiene una elevada afinidad por la Hb (200 a 250 veces mayor que la del oxígeno) puede reducir de manera drástica la capacidad de transportar oxígeno, al ocupar los enlaces de la Hb, esa es una de las razones por las cuales repercute de forma significativa y negativa en la salud de quien lo consume.
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Intercambio periférico de oxígeno
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El oxígeno y el CO2 se desplazan entre la sangre capilar sistémica y las células de los tejidos mediante difusión simple, como sucede entre la sangre capilar y el gas alveolar. Se estima que la presión tisular de oxígeno (PTO2) es de unos 40 mmHg (5.3 kPa) y está determinada por un equilibrio entre la tasa de transporte y la de consumo de oxígeno en los tejidos. Dado que existe una gran diferencia entre la PTO2 (40 mmHg; 5.3 kPa) y la presión capilar de oxígeno (PcO2) (95 mmHg; 12.6 kPa), la difusión ocurre rápidamente hasta que la PvO2 y la PTO2 se igualan. Por otra parte, se ha estimado que la presión intracelular de oxígeno media es de cerca de 23 mmHg (3.1 kPa). Esta diferencia permite un amplio margen de maniobra, ya que se ha demostrado que la presión parcial mínima necesaria para soportar la actividad metabólica es de alrededor de 1-3 mmHg (0.1 a 0.4 kPa; presión crítica). Por tanto, parece que el propósito de la PcO2 tan alta es asegurar una presión adecuada para la difusión del O2 hacia las mitocondrias.
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No obstante, existen diferentes factores que pueden limitar el intercambio periférico de oxígeno: 1) la capacidad de difusión tisular de oxígeno; 2) el flujo sanguíneo; 3) la presencia de cortocircuitos anatómicos; 4) la existencia de cortocircuitos en la difusión. El cortocircuito anatómico es el paso de sangre desde la arteriola a la vénula, sin circular por la zona de intercambio de gases en el capilar tisular. El cortocircuito por difusión consiste en el intercambio de gases por difusión pasiva a lo largo del trayecto de dos vasos dispuestos de forma paralela (arteriola y vénula), sin que exista comunicación entre ellos. La importancia de ambos tipos de cortocircuito no ha podido establecerse, pero existe la convicción de que no tienen un papel relevante. La capacidad de difusión tisular de oxígeno sí debe ser considerada como un factor limitante en el intercambio de gases. Por lo general se ha relacionado este factor con la distancia entre las células y el capilar. Se sospechaba que distancias superiores a 50 micras podían suponer una disminución de la presión intracelular de oxígeno hasta niveles críticos, sin embargo, estudios recientes sugieren que la resistencia a la difusión de oxígeno se localiza principalmente en el trayecto, desde el hematíe hasta el exterior de la pared capilar. El otro factor limitante es el flujo sanguíneo, dado que la cantidad total de oxígeno disponible cada minuto en el tejido depende —como ya se consideró— del QT y del CaO2 transportado por decilitro de sangre. Si el QT decae, la presión tisular puede ser tan baja que la presión intracelular descienda por debajo del nivel crítico de 1 mmHg (0.1 kPa). Las desigualdades entre el flujo sanguíneo y el consumo de oxígeno producidas en ciertas enfermedades pueden ser un factor importante en la disminución de la eficacia del intercambio periférico de oxígeno.
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La hipoxia es un estado de deficiencia de oxígeno en la sangre, células y tejidos del organismo, con compromiso de su función. La anoxia se define como la ausencia total de oxígeno. Según los conceptos descritos en este capítulo, podemos definir cuatro tipos de hipoxia:
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Hipoxia hipóxica, la cual se debe a una deficiente entrega de oxígeno atmosférico a la sangre de los capilares pulmonares, que tiene como consecuencia la disminución de la PaO2. Se produce tanto por factores externos (disminución de la PO2 atmosférica), como internos (hipoventilación, disminución de la difusión alveoloarterial de oxígeno o alteraciones de la relación ventilación/perfusión pulmonar).
Hipoxia anémica, la cual proviene de la disminución en la capacidad de transporte de oxígeno en la sangre debido a reducciones del número de eritrocitos, de la concentración de Hb, de la capacidad de fijación del oxígeno (intoxicación por CO) o incluso a la presencia de una Hb anormal.
Hipoxia circulatoria, ésta se genera por la disminución del flujo sanguíneo capilar, como sucede en el choque, la insuficiencia cardíaca o la trombosis arterial.
Hipoxia histotóxica, que se debe a la incapacidad de los tejidos para utilizar el oxígeno en los distintos procesos metabólicos, principalmente por la acción de ciertas sustancias sobre el metabolismo celular como, por ejemplo, el cianuro.
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Los efectos de la hipoxia dependen de la sensibilidad del órgano (el cerebro es el más sensible), el tiempo transcurrido y el grado de hipoxia. A principios de siglo xx Haldane y Boycott observaron que niveles de la presión parcial de oxígeno (PaO2) inferiores a 45 mmHg (6 kPa), sin un proceso previo de aclimatación, producían pérdida de memoria y alteraciones mentales. Después se demostró que niveles inferiores a 30 mmHg (4 kPa) causaban la pérdida de conciencia y que valores por debajo de 20 mmHg (2.7 kPa) eran incompatibles con la vida, incluso en pacientes con enfermedades crónicas. Las consecuencias de la instauración aguda de hipoxia durante más de 4 a 6 minutos son la detención del sistema cardiorrespiratorio y el daño irreversible en órganos vitales, en especial cerebro, corazón, hígado y riñón, lo que conduce a la muerte. Sin embargo, en pacientes con hipoxia crónica, el umbral de hipoxia en el que se producen estos cambios no está bien establecido, de hecho, se ha demostrado que los pacientes con insuficiencia respiratoria crónica tienen mayor adecuación a niveles más bajos de PaO2 y que los niveles superiores de hipoxia que se aprecian en las agudizaciones son bien tolerados. En pacientes con enfermedad pulmonar crónica se acepta como valor de seguridad una PaO2 de 50 mmHg (6.7 kPa), ya que se ha demostrado una disminución del riesgo de complicaciones con cifras de PaO2 superiores a dicho valor. En pacientes sanos dicho valor de seguridad de PaO2 se sitúa en 60 mmHg (8 kPa). Por tanto, este es el límite que se utiliza para definir la insuficiencia respiratoria.