La respiración: oxígeno y supervivenciaTodos los días, involuntaria y automáticamente, con una frecuencia, en estado de reposo, de aproximadamente 15 a 20 veces por minuto, realizamos un importante y vital proceso: respirar.

Segundo Ciclo

 

Última actualización: 03/07/2012

 

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Nuestra respiración es constante, incluso cuando dormimos.

Desde nuestro nacimiento, efectuamos un proceso fundamental para nuestra vida del que ni siquiera nos percatamos. De manera involuntaria, nuestros pulmones se llenan de aire continuamente para capturar el oxígeno necesario, que permitirá la respiración celular y el desarrollo y funcionamiento de todo nuestro organismo. Incluso, cuando estamos durmiendo, el sistema respiratorio trabaja sin descanso.

Si bien el intercambio gaseoso o hematosis (donde se realiza el traspaso de O2 y CO2) ocurre directamente en los alvéolos pulmonares, las vías respiratorias son el camino perfecto para conducir el aire inspirado hacia los pulmones.

El recorrido del aire

Si bien la ventilación (respiración) pulmonar es un proceso automático y constante, cada vez que respiramos se ponen en acción una serie de estructuras especializadas que facilitan el viaje del aire. Porque la respiración no sólo implica inspirar profundamente el aire que nos rodea; el verdadero intercambio, donde aprovechamos el oxígeno y desechamos el dióxido de carbono, ocurre a nivel pulmonar, específicamente, en los alvéolos pulmonares.

Al momento de inspirar, el aire ingresa por nuestra nariz (también lo puede hacer por la boca), donde se calienta, humedece y limpia. Luego, pasa por la faringe, donde encuentra un verdadero filtro, que intercepta y destruye los organismos patógenos: las amígdalas.Una vez superada esta barrera inmunológica, el aire prosigue su recorrido por la laringe y luego por la tráquea.

Esta última estructura es un verdadero tubo elástico que, al final de su recorrido, se divide en los dos bronquios que ingresan a los pulmones. Cada bronquio se ramifica al igual que un árbol, terminando en unos sacos elásticos, destino final del aire inspirado. Estas pequeñas estructuras, denominadas alvéolos pulmonares, son las encargadas de realizar el efectivo intercambio gaseoso. Con una apariencia similar a un racimo de globos, cada vez que inspiramos se llenan de aire, aprovechando el oxígeno y desechando el dióxido de carbono.

Un proceso continuo, automático, con diferentes etapas, pero tan rápido que muchas veces ni alcanzamos a percatarnos de él. Una verdadera ruta del aire.

Intercambio gaseosoYa dijimos que la respiración es un proceso mucho más complejo que el solo hecho de inspirar por la nariz. Incluso, el transporte de oxígeno hacia todos los órganos y tejidos de nuestro cuerpo implica el trabajo no sólo del sistema respiratorio, sino también del cardiovascular.

En capítulos anteriores vimos cómo la sangre es el verdadero medio de transporte y recolección de los gases involucrados en la respiración.

Ahora conoceremos la "estación de carga y descarga" de estas moléculas, lugar de intercambio del oxígeno y dióxido de carbono.

El aire inspirado finaliza su viaje en los alvéolos pulmonares. Cada alvéolo se encuentra adaptado para recibirlo y contenerlo, mientras dura la hematosis. Su membrana posee una gran superficie y, además, están rodeados por una enorme cantidad de capilares que, a través del proceso de difusión, capturan el oxígeno y eliminan el dióxido de carbono.

Cuando el aire ingresa a cada alvéolo pulmonar contiene, aproximadamente, un 20,8% de oxígeno, un 0,04% de dióxido de carbono, un 78,6% de nitrógeno y un 0,56% de vapor de agua. Estando en la cavidad alveolar, el oxígeno se dirige hacia los capilares para ser transportado por los glóbulos rojos hacia todas las zonas y tejidos de nuestro cuerpo. Sin embargo, para ser más precisos, el oxígeno se carga y es transportado en una molécula alojada en los glóbulos rojos: la hemoglobina.

Esta es la que se encarga de capturar las moléculas de oxígeno y llevarlas a cada célula que lo requiera. Desde los capilares, los alvéolos pulmonares, además, reciben al principal desecho de la respiración celular, el dióxido de carbono. Mediante la espiración (expulsión de aire desde los pulmones) este compuesto gaseoso es liberado hacia el exterior de nuestro organismo. En esta etapa, claramente ha cambiado la composición gaseosa del aire que ingresó por las vías aéreas.

El aire exhalado contiene el mismo porcentaje de nitrógeno (78,6%), pero aumentan los niveles de dióxido de carbono (4%) y vapor de agua (1,8%). Lógicamente, la cantidad de oxígeno expulsado disminuye (15,6%).

Gases tóxicosNo solo respiramos sustancias beneficiosas para nuestra salud. Lamentablemente, producto de la contaminación atmosférica, en nuestro entorno existe una gran variedad de gases tóxicos, muchos de los cuales ingresan hasta nuestras vías respiratorias sin darnos cuenta.

Entre los gases contaminantes más dañinos destacan el plomo, el ozono, los óxidos de carbono, el nitrógeno, los hidrocarburos y los clorofluorocarburos, todos presentes en la atmósfera. Cada uno de ellos (en bajas o altas concentraciones) pueden causar graves afecciones respiratorias, cáncer y otros trastornos sistémicos.

Transporte físico

Uno de los fenómenos físicos por los que se produce el intercambio gaseoso es la difusión. Corresponde al movimiento de las moléculas de un gas, desde una zona de alta concentración hasta otra de baja concentración, para quedar equilibradamente repartidas.

Mediante este proceso, el oxígeno presente en los alvéolos pulmonares (mayor concentración) ingresa a los capilares sanguíneos (menor concentración), de tal manera que estos puedan transportar la vital molécula hacia las diferentes zonas de nuestro cuerpo. Sin embargo, el citado equilibrio nunca se alcanza, ya que siempre existen más moléculas de oxígeno, producto de nuestra constante respiración.

Desecho gaseosoEl dióxido de carbono es un compuesto formado por un átomo de carbono y dos de oxígeno. Su fórmula química es CO2 y es conocido también como anhídrido carbónico. Por lo general, se presenta en estado gaseoso, sin olor y color. Es ligeramente ácido,denso y no inflamable. Lo podemos encontrar, además, en estado sólido (bajo ciertas temperaturas) y líquido (cuando se disuelve en agua).

En la naturaleza está involucrado en importantes procesos, como la fotosíntesis y la combustión. En el organismo humano, corresponde a un subproducto de las reacciones metabólicas que ocurren a nivel celular para la obtención de energía.Propiedades físicas y químicas del AirePropiedades físicas 

Es de menor peso que el agua. Es de menor densidad que el agua. Tiene Volumen indefinido. No existe en el vacío. Es incoloro, inodoro e insípido.

Propiedades químicas Reacciona con la temperatura condensándose en hielo a bajas temperaturas y produce corrientes de aire. Esta compuesto por varios elementos entre ellos el oxigeno (O2) y el dioxido de carbono elementos

básicos para la vida.

Composición del Aire puroDe acuerdo con la altitud, composición, temperatura y otras características, la atmósfera que rodea a la Tierra y comprende las siguientes capas o regiones:1. Troposfera. Alcanza una altura media de 12 km. (es de 7km. En los polos y de 16km. En los trópicos)

y en ella encontramos, junto con el aire, polvo, humo y vapor de agua, entre otros componentes.

1. Estratosfera. Zona bastante mente fría que se extiende de los 12 a los 50km de altura; en su capa superior (entre los 20 y los 50km) contiene gran cantidad de ozono (O3), el cual es de enorme importancia para la vida en la tierra por que absorbe la mayor parte de los rayos ultravioleta del sol.

1. Mesosfera. Zona que se sitúa entre los 50 y los 100km de altitud; su temperatura media es de 10 °C; en ella los meteoritos adquieren altas temperaturas y en su gran mayoría se volatilizan y consumen..

1. Ionosfera. Empieza después de los 100km. Y va desapareciendo gradualmente hasta los 500km de altura. En esta región, constituida por oxígeno (02), la temperatura aumenta hasta los 1000°C; los rayos X y ultravioleta del Sol ionizan el aire enrarecido, produciendo átomos y moléculas cargados eléctricamente (que reciben el nombre de iones) y electrones libres.

1. Exosfera. Comienza a 500km. de altura y extiende más allá de los 1000km; está formada por una capa de helio y otra de hidrogeno. Después de esa capa se halla una enorme banda de radiaciones (conocida como magnetosfera) que se extiende hasta unos 55000km de altura , aunque no constituye propiamente un estrato atmosférico.

El aire limpio y puro forma una capa de aproximadamente 500 000 millones de toneladas que rodea la Tierra, de las su composición es la siguiente:

Componente Concentración aproximada

1. Nitrógeno (N) 78.03% en volumen

Oxígeno (O) 20.99% en volumen

Dióxido de Carbono (CO2) 0.03% en volumen

Argón (Ar) 0.94% en volumen

Neón (Ne) 0.00123% en volumen

Helio (He) 0.0004% en volumen

Criptón (Kr) 0.00005% en volumen

Xenón (Xe) 0.000006% en volumen

Hidrógeno (H) 0.01% en volumen

Metano (CH4) 0.0002% en volumen

Óxido nitroso (N2O) 0.00005% en volumen

Vapor de Agua (H2O) Variable

Ozono (O3) Variable

Partículas   Variable

Contaminación atmosférica

La contaminación del aire es uno de los problemas ambientales más importantes, y es resultado de las actividades del hombre. Las causas que originan esta contaminación son diversas, pero el mayor índice es provocado por las actividades industriales, comerciales, domesticas y agropecuarias.Los principales contaminantes del aire se clasifican en:PRIMARIOSSon los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas.SECUNDARIOSSon los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono (O3).A nivel nacional, la contaminación atmosférica se limita a las zonas de alta densidad demográfica o industrial. Las emisiones anuales de contaminantes en el país son superiores a 16 millones de toneladas, el 65% es de origen vehiculaar.En la ciudad de México se genera 23.6% de dichas emisiones, en Guadalajara el 3.5%, y en Monterrey el 3%. Los otros centros industriales del país generan el 70% restante.PARTES POR MILLON (PPM)Para determinar la concentración de una substancia química en un volumen se utilizan las partes por millón de partes iguales. Cada millonésima parte de este volumen, correspondiente a la substancia de nuestro interés, se considera una parte por millón de la substancia.Las PPM se utilizan para determinar concentraciones muy pequeñas de gases en la atmósfera.PARTES POR BILLON (PPB)Para determinar la concentración de substancia química en un volumen se utilizan las partes por billón. Se divide el volumen en un billón de partes iguales. Cada billonésima parte de este volumen, correspondiente a la substancia de nuestro interés, se considera una parte por billón de la substancia.Las PPM se utilizan para determinar concentraciones muy pequeñas de gases en la atmósfera.PARTICULAS SUSPENDIDAS EN SU FRACCION RESPIRABLE (PM-10)

Criterios para evaluar la calidad del aire

150 ug/m³ (microgramos sobre metro cubico) en un promedio de 24 horas. Características del contaminante

Partícula sólidas o líquidas dispersas en la atmósfera (su diámetro va de 0.3 a 10 um) como polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen. La fracción respirable de PST, conocida como PM-10, está constituida por aquellas partículas de diámetro es inferior a 10 micras, que tienen la particularidad de penetrar en el aparato respiratorio hasta los alvéolos pulmonares.

Fuentes principales

Combustión industrial y doméstica del carbón, combustóleo y diesel; procesos industriales; incendios; erosión eólica y erupciones volcánicas.

Efectos principales

o Salud: Irritación en la vías respiratorias; su acumulación en los pulmones origina enfermedades como

silicosis y la asbestosis. Agravan el asma y las enfermedades cardiovasculares. Materiales: Deterioro en materiales de construcción y otras superficies.

Vegetación: Interfieren en la fotosíntesis.Otros: Disminuyen la visibilidad y provocan la formación de nubes.En general los principales contaminantes como: Monóxido de carbono, Ozono, Dióxido de Nitrógeno, Dióxido de Azufre, Hidrocarburos, plomo, y otros provocan demasiados problemas estos se miden en grados imecas lo cual se explicará después del cuadro de los contaminantes.

Unidades Empleadas para el Monitoreo de la Calidad del Aire 

PARÁMETRO CLAVE UNIDAD RED

Monóxido de Carbono CO PPM  

Dióxido de azufre SO2 PPM  

Dióxido de nitrógeno NO2 PPM MONITOREO AUTOMATICO

Ozono O3 PPM  

Oxido de nitrógeno NOX PPM  

Acido sulfhídrico H2S PPM  

Partículas menores a 10 micras PM-10 ug/m³  

Partículas suspendidas totalmente PST ug/m³  

Plomo Pb ug/m³  

Cobre Cu ug/m³ MONITOREO MANUAL

Fierro Fe ug/m³  

Cadmio Cd ug/m³  

Níquel Ni ug/m³  

Temperatura TMP °C  

Humedad Relativa RH % de Hum. Rel MONITOREO METEOROLOGICO

Velocidad del viento WSP metros por segundo

 

Dirección del viento WDR grados  

Indice Metropolitano de la Calidad del aireEl índice de la calidad del aire, se define como un valor representativo de los niveles de contaminación atmosférica y sus efectos en la salud, dentro de una región determinada.El IMECA consta de algoritmos de cálculo fundamentales; el primero, para la obtención de subíndices correspondientes a diferentes indicadores de la calidad del aire; y el segundo, para la combinación de éstos en un índice global.El primero involucrara la utilización de funciones segmentadas basadas en dos puntos de quiebra principales. Esos puntos fueron obtenidos a partir de los criterios mexicanos de la calidad del aire, así como de niveles para los que ocurren daños significativos a la salud. Al primero se le asigno el valor de 100 y al segundo de 500; entre estos dos puntos se definieron tres más, cuyo objetivo es clasificar el intervalo en diferentes términos descriptivos de la calidad del aire. La función principal del IMECA es mantener informada a la población sobre la calidad del aire en la Ciudad de México, así como observar el comportamiento de los distintos contaminantes y comparar la calidad del aire entre zonas que utilicen índices similares.

IMECA CALIDAD DEL AIRE EFECTOS

0-100 Satisfactoria. Situación favorable para la realización de todo tipo de actividades.

101-200 No Satisfactoria. Aumento de molestias en personas sensibles.

201-300 Mala Aumento de molestias e intolerancia relativa al ejercicio.

301-500 Muy Mala Aparición de diversos síntomas e intolerancia al ejercicio.

IMECA Satisfactorio No Satisfactorio No Satisfactorio Malo

  0-100 101-150 151-200 201-300

OXIGENO Y COMBUSTIONCombustión es sinónimo de oxidación y, como ya se indicó consiste en la unión del oxigeno con la substancia combustible.Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos:a. Sólidos: carbonos, lignitos, coques, maderas y residuos combustibles de procesos de fabricación.b. Líquidos: alcohol, petróleo, sus derivados, y algunas veces breas.c. Gases: gas natural (el que sale de la tierra) y gases fabricados con obtenidos principalmente del

carbón.

La presencia del oxígeno (gas) pone de manifiesto su propiedad de comburencia. La combinación de este con otros elementos se llama oxidación.Cuando las oxidaciones son rápidas y generan en poco tiempo gran cantidad de energía calorifica y luminosa, se denominan combustiones. Para que la combustión se realice combustible sustancia que puede arder al combinarse rápidamente con el oxigeno dando como resultado luz y calor, y un comburente, el cual es un elemento o sustancia que al combinarse químicamente con otro, provoca la combustión de este.SEPARACION DE GASES EN UNA MEZCLAUna de las características de una mezcla es la de ser una unión aparente y que para comprobar este hecho podemos aplicar diferentes procedimientos de separación de mezclas . 

 INTRODUCCIÓN

    Con PO2 altas el oxígeno es tóxico y el periodo de exposición sin lesiones depende del valor de la  PO2. Conforme se incrementa la PO2 el periodo de exposición segura es cada vez menor.

    Existe una relación aproximadamente hiperbólica entre la PO2 y la duración de la exposición tolerable, así 20 horas a 1 atm parecen equivalentes  a 10 horas a 2 atm o 5 horas a 4 atm. Se admite que el hombre tolera una exposición de 10 horas a 1 atm sin más alteraciones que alguna molestia subesternal y una disminución de la capacidad vital.

    Como la PO2 a que son expuestos los distintos tejidos no es uniforme los efectos varían de unos tejidos a otros y los síntomas de la exposición tóxica al oxígeno pueden ser:

- Convulsiones generalizadas epileptiformes como resultado de la lesión del SNC, se denomina efecto Paul Bert.

- Lesiones químicas en las vías respiratorias.

- Fibrosis retrolenticular que es una lesión retiniana en niños prematuros tratados con oxígenoterapia.

 

EFECTOS FÍSICOS DEL OXÍGENO.

    En principio la respiración de O2 puro no causa daños si se hace de manera que no cambie la PAO2 normal que es 100 mmHg. Esto se logra con oxígeno puro a una presión ambiente de 187 mmHg (PO2= 100; PH2O=47; PCO2=40). De hecho la exposición a oxígeno puro hasta 250 mmHg de presión ambiente total es inocua y es la presión que se utilizaba en las primeras cápsulas espaciales americanas.

    Los problemas en estos casos son de dos tipos:

        Combustión espontánea.

     En primer lugar las atmósferas de O2 puro son peligrosas por la posibilidad de combustión espontánea. Caso dramático es el de los astronautas americanos en 1967, desde entonces utilizan aire normal.

        Atelectasia por absorción.

     En segundo lugar la ausencia de un gas inerte en el aire respirado hace que los espacios corporales que contienen gas como los alvéolos, los senos paranasales y el oído medio tengan una mezcla de oxígeno, agua y carbónico exclusivamente. Si por cualquier causa la comunicación de estas cavidades con el aire ambiente se cierra (secreciones, espasmos, inflamación) el oxígeno será consumido y la presión en la cavidad disminuirá. Como resultado de ello se producirá en los alvéolos atelectasias por obliteración y en otras cavidades dolor, hemorragias y exudación.

    En cualquier caso los efectos, salvo infecciones sobreañadidas, no son muy graves y tanto los animales de experimentación (ratones) con los humanos han sobrevivido a varios días de exposición a atmósferas de oxígeno puro.

    El efecto que parece mas peligroso se da en sujetos con hipercarbia crónica que han perdido la sensibilidad al dióxido de carbono ya que mantienen la respiración debido a la hipoxia de manera que cuando se les da a respirar oxígeno puro se produce rápidamente una depresión ventilatoria.

EFECTOS TÓXICOS DEL OXÍGENO

Los problemas de investigación surgen en primer lugar por la imposibilidad de utilizar voluntarios sanos ya que es indudablemente tóxico y en segundo lugar porque el tratamiento con oxígeno hiperbárico se indica sólo en casos con alteraciones patológicas del pulmón o situaciones de hipoxia por lo que es difícil distinguir unos efectos de otros.

    Efectos sobre el pulmón.

    La PO2 del gas que se va a respirar se obtiene multiplicando la concentración fraccional por la presión a la que se administra.

PO2 = FIO2 * Pb

    Cuando la presión es la atmosférica estándar se utiliza el término de oxigenación isobárica y cuando la presión es superior a la atmosférica se emplea el de oxigenación hiperbárica. En las cápsulas espaciales se utilizaba lo que podríamos denominar oxigenación hipobárica ya que la presión total era un tercio de la atmosférica. Los otros gases de la mezcla pueden ser nitrógeno o gases inertes como el helio.

    A continuación se refieren los efectos de respirar diversas mezclas con presiones de oxígeno crecientes. Los datos entre paréntesis se refieren a la concentración de oxígeno y a la presión a la que se administra. Por ejemplo PO2 (1*(760/3) =254) debe entenderse como oxigeno con FIO2 = 1 es decir al 100% a una presión 1/3 de la atmosférica, por lo tanto se administra oxígeno con una presión parcial de 254 mmHg.

PO2 (1*(760/3) =254)

    Sin efectos tóxicos después de periodos de hasta 30 días. Esto demuestra que las posibles lesiones  no se deben a la falta de nitrógeno ya que no se producen lesiones y no hay gas inerte. Es lo que respiraban los astronautas del Apolo hasta la explosión de 1967. También parece probar que lo esencial es la presión parcial y no la concentración ya que aquí era del 100%.

PO2 (0,50*760 = 380)

    Sin efectos tóxicos después de 14 días

PO2 (0,80*760 = 608)

    Cuando se respira durante un periodo de más de 12 horas se refieren síntomas de irritación de las vías aéreas como distres subesternal, tos, congestión nasal y ulceraciones traqueales.

PO2 (1.00*760 =760)

    Esto es oxígeno puro a presión atmosférica estándar

    Mas de 24 horas se ha descrito bronconeumonía y en general se observa disminución de la capacidad vital.

    Mas de 110 horas (4 días y medio) se producen efectos graves como bronconeumonía, tos intensa persistente, derrame pleural. Cuando el paciente

fallece en la necropsia aparecen signos de lesión pulmonar. Los síntomas aparecen incluso cuando el oxígeno se administra de forma intermitente (15 minutos de descanso cada tres horas). Tampoco parece que la vuelta a la situación normal revierta los efectos. En los animales de experimentación el descanso de la exposición de unas 4 horas /día reduce la mortalidad de los ratones a ¼ respecto a los expuestos de forma continua.

    En conclusión a presión normal el oxígeno al 100% se puede administrar sin riesgos durante un periodo de hasta doce horas. Exposiciones mas duraderas deben considerarse peligrosas. Cuando se necesitan exposiciones mas largas debe administrarse al 60% y solo cuando esto sea insuficiente utilizar mayor concentración. En cualquier caso los efectos de la anoxia son peores que la irritación pulmonar aguda por oxígeno. Además se debe utilizar la administración intermitente ya que retrasa la aparición de síntomas de irritación pulmonar.

PO2 (1*(2*760) = 1520)

    Aparecen lesiones pulmonares mucho antes que a la presión de una atmósfera con disminución de la capacidad vital (5%) al cabo de 6 horas de exposición. A las 10 horas se presenta tos e irritación bronquial.

    La curva de tolerancia presenta aspecto de hipérbola rectangular con una asíntota para PIO2= 0,5 atm en que no parece haber lesiones y otra en 1,5 horas que es el tiempo en que se toleran presiones muy elevadas antes de producir lesiones a nivel pulmonar.

PIO2 (1*(760*4) =3040)

    No se desarrollan síntomas pulmonares ya que antes aparecen convulsiones e inconsciencia.

    Que los efectos irritantes locales no se deben a las cámaras, mascaras, conducciones del oxígeno u otros factores se demuestra comprobando que no se producen cuando se respira en las mismas condiciones aire. La conclusión es que se debe al oxígeno.

Consecuencias de la toxicidad del oxígeno.

    Cuando los efectos son leves no hay alteraciones del intercambio gaseoso pulmonar así presiones de 2 atm durante 9 horas solo producen cambios mínimos en la constante de difusión para el CO (DLco), aumento en la diferencia de presión alvéolo arterial de oxígeno y aumento de la resistencia de las vías y en la complianza pulmonar.

    En los animales en los que se mantiene la exposición mas tiempo los efectos tóxicos progresan y aparece pérdida progresiva de surfactantes, cambios estructurales, edema pulmonar, extravasación de hematíes en las vías aéreas, atelectasias masivas, retención de CO2, acidosis y muerte por hipoxia. Cuando el envenenamiento por oxígeno llega a la hipoxemia arterial (por falta de intercambio alvéolo arterial ?) la supervivencia es muy difícil ya que la disminución de PIO2 agrava el cuadro y su mantenimiento lo hace progresar.

    En los experimentos de Weibel, en  ratas expuestas a PO2 760 mmHg, al microscopio electrónico los cambios iniciales aparecen en el endotelio capilar que aparece vacuolizado, con aumento de permeabilidad y acumulación de fluido intersticial. En estadios ulteriores se pierde el limite epitelial en los alvéolos afectando a las células tipo I y aumentando las células tipo II que son relativamente resistentes al O2. El resultado final es el engrosamiento de la membrana alvéolo capilar debido al edema y a la sustitución de células tipo I por las tipo II.

    Efectos sobre el SNC.

    La curva de tolerancia parece tener una asíntota en PIO2= 2 atm de manera que no aparecen síntomas del SNC hasta que se supera este dintel.

PIO2 (100*760*4=3040 mmHg)

    Produce convulsiones generalizadas e inconsciencia por ello no se utiliza oxígeno puro en los aparatos de respiración para buceo salvo que no se superen los 10 m y por lo tanto las 2 atmósferas de PIO2 (1 de aire y 1 de agua salada). La ventaja es que como el oxígeno se consume si se dispone de algo que absorba el CO2 se evitan las burbujas lo que es esencial para buceo militar y espionaje.

    Los síntomas de toxicidad del oxígeno sobre el SNC son variables pero incluye contracturas en labios, orbiculares, músculos de las manos, diafragma (respiración en rueda dentada), nauseas, vértigos. Las convulsiones pueden aparecer rápidamente o bien progresar desde una actividad mioclónica de algunos minutos de duración. Hasta este momento el sujeto estará alerta. Si se reemplaza el oxígeno por aire en el momento de las convulsiones la recuperación es completa como lo demuestra la falta de efectos secundarios cuando se utiliza como convulsionante en la terapia de la esquizofrenia.

    No obstante si se mantiene el tratamiento de forma prolongada los animales de experimentación acaban muriendo y con lesiones del SNC.

    A presiones de mas de 6 atm se desarrollan convulsiones en unos minutos.

    A presiones de 4 atm aparecen síntomas en unos 15 minutos.

    A presiones de 3.4 atm los síntomas parecen a los 25 min.

    A presiones de 2.8 atm no aparecen síntomas hasta que la exposición no supera las 2 horas.

    A 2 atm no hay síntomas después de 12 horas

    En conclusión a presiones por debajo de 2.5 atm aparecerán síntomas pulmonares antes que los del SNC y por encima habrá síntomas neurales antes que pulmonares.

    En la tabla siguiente se resumen los efectos sobre pulmón y  SNC en función de la presión y el tiempo de exposición.

Pb Atm

% PIO2 TIEMPO EFECTOS SOBRE PULMÓN

TIEMPO EFECTOS SOBRESNC

1 0,21 159 Indefinido Ninguno Indefinido Ninguno1 0,33 254 30 días Ninguno Indefinido Ninguno1 0,50 380 14 días Ninguno Indefinido Ninguno1 0,80 608 12 horas Irritación vías Indefinido Ninguno1 1,00 760 24 horas

110 horas

Bronconeumonía

Bronconeumonía grave y muerte

Indefinido Ninguno

2 1,00 1520 10 horas Tos e irritación 12 horas Ninguno2,8 1,00 2128     2 horas Primeros síntomas3,4 1,00 2584     25 min. Convulsiones4 1,00 3040 No da

tiempo  15 min. Convulsiones

Inconsciencia6 1,00 4560     segundos Convulsiones inconsciencia

    En la gráfica siguiente se representan las curvas de tolerancia al oxígeno para el pulmón y el sistema nervioso.

    Efecto adicional del ejercicio

    En todos los casos comentados se trata de situaciones en reposo, no es lo mismo si se está en situación de ejercicio. El periodo seguro respirando oxígeno se reduce por la inmersión y el ejercicio por lo que los periodos de tolerancia buceando son menores que en los experimentos en cámara.

    Efecto adicional del CO2

    Se pensaba que los efectos del ejercicio se debían a un incremento de CO2 debido a que la Hb no se reducía pero no parece que ocurra esto ya que con la administración de O2 hiperbárico no se encuentran cambios notables en el CO2.

    Sin embargo la inhalación de CO2 produce una disminución en la latencia y un cambio en los síntomas. Una posible explicación  es la vasodilatación de los vasos cerebrales lo cual incrementa el flujo cerebral y las posibilidades

tóxicas del oxígeno. Así si se añade un 2% de CO2 al oxígeno a 3,5 atm la PO2 de la sangre venosa cerebral aumenta de 100 a 1000 mmHg.

    Otra posibilidad es que a los efectos tóxicos del O2 se añadan los del CO2 que produce una intensa acidosis intra y extracelular.

    La concentración de GABA (ácido gamma amino butírico) disminuye en el cerebro justo antes de las convulsiones y el cambio se correlaciona con el grado de convulsión. Mas aun el umbral para los cambios en los niveles de GABA es similar al umbral para las convulsiones. Esto no prueba necesariamente una relación causal pero teniendo en cuenta que el GABA es un neurotransmisor inhibitorio parece razonable admitir que las convulsiones se deben a la disminución de la inhibición. Los cambios en GABA se deben a la inactivación de enzimas con grupos sulfidrilo que son dianas de ataque de los radicales libres.

    Efectos sobre la conducción nerviosa periférica.

    Se acaba  bloqueando  la conducción tras un estadio previo con disminución de la velocidad de conducción, de al amplitud de la espiga y el incremento de la reobase. Pero se requieren PIO2 cinco veces superiores a las que producen convulsiones.

    Efectos sobre el ojo.

En el adulto.

    Produce una vasoconstricción reversible similar a la vasoconstricción cerebral y a presiones altas (3 atm) se produce una disminución del campo visual periférico. Los cambios son reversibles cuando se vuelve a respirar aire.

    Si la exposición supera el tiempo de aparición de convulsiones se producen lesiones retinianas y si la exposición es extrema ceguera.

En los prematuros.

      Fibroplasia retrolenticular. Aparecía en los prematuros sometidos a terapia con oxígeno, se describió en 1942. La situación crea el dilema entre el Escila de la hipoxia y el Caribdis de la displasia.

    Se inicia con vasoconstricción retiniana que progresa a la obliteración de los vasos seguida de una proliferación vascular desorganizada, derrame y organización que acaba desprendiendo la retina.

    Efectos sobre otros tejidos.

    Se supone que pueden producirse sobre cualquier célula o tejido. Los efectos dependen de el metabolismo basal del tejido y del flujo sanguíneo. Posiblemente el miocardio se afecte menos ya que extrae una gran cantidad de oxígeno normalmente y sea el riñón el órgano mas lábil si se logra evitar la toxicidad sobre pulmón y SNC

.

MECANISMO DE ACTUACIÓN DEL OXÍGENO.

    Interfiere en el metabolismo celular a diversos niveles. El caso mas espectacular es la muerte de los anaerobios absolutos lo que parece deberse a la ausencia del enzima antioxidante catalasa.

    El O2 a alta presión inactiva los enzimas que participan en los estadios iniciales de la transferencia de hidrogeno como las deshidrogenasas: gliceraldehido fosfato deshidrogenasa y succinil deshidrogenasa en las cuales los grupos sulfidrilo (SH) son esenciales para la actividad. El efecto es especifico ya que no se produce sobre otros enzimas como la citocromo oxidasa.

    También produce inhibición de las reacciones de oxidación del piruvato en el ciclo de loa ácidos tricarboxílicos.

    En tercer lugar se ha relacionado con la interferencia en la formación de enlaces fosfato de alta energía.

    La naturaleza de esta inhibición no se conoce totalmente y se ha propuesto:

- Eliminación de elementos de la cadena oxidativa por incremento de la oxidación lo que conduce a alteración de la cadena normal por efecto de la ley de acción de masas.

RADICALES LIBRES

- Formación aumentada de radicales libres que inactivarían a los sistemas enzimáticos. 

- Dioxígeno.

    El O2 es una molécula estable y también un poderoso oxidante. La molécula de oxígeno tiene dos electrones no apareados en la capa externa 2P lo que le transforma en un radical libre doble aunque muy estable al estar las órbitas de los dos electrones en paralelo. Los dos electrones le proporcionan el paramagnetismo gracias al cual se han desarrollado diversos métodos de medida. Además puede transformase en una serie de radicales libres y semejantes de alta toxicidad. Entre otros:

- "singlete"

    Existe en dos formas una que no es un radical libre en la que uno de los electrones libres es transferido a la órbita del otro. En la otra forma la rotación de uno de los electrones libres está invertida y transforma a la molécula en un radical libre extremadamente reactivo.

- anión superóxido.

    La molécula de oxígeno es parcialmente reducida recibiendo un electrón que se empareja con uno de los electrones libres y forma el anión superóxido O- que es un anión y un radical libre. Es el inicio de una serie de radicales libres tóxicos derivados del oxígeno. Es una especie relativamente estable en solución acuosa al pH 7,4; pero tiene una vida media biológica muy pequeña debido a la presencia ubicua de la superóxido dismutasa. El anión superóxido no parece que atraviese las membranas celulares.

- radical hidroperóxido

    Se produce al reaccionar el anión superóxido con un hidrogenión formando el radical hidroperóxido HO2 La reacción es pH dependiente con un pK 4,8

por lo que el equilibrio está desplazado hacia la izquierda en los sistemas biológicos.

O2•- + H+ = HO2

•

- peróxido de hidrogeno.

    Cuando se transfiere un electrón desde una molécula de anión superóxido a otra (superóxido dismutasa) la molécula donante se transforma en dioxígeno, mientras que la receptora combina con dos hidrogeniones y forma el peróxido de hidrogeno. No se trata de un radical libre pero si es un agente oxidante potente que juega un papel importante en la toxicidad del oxígeno. La reacción es:

2 O2•- + 2H+ = H2O2+ O2

    Dos moléculas de peróxido de hidrogeno se convierten en dos moléculas de agua y una de oxígeno en una reacción catalizada por la catalasa y por la glutatión peroxidasa. Los anaerobios estrictos carecen de catalasa y suelen ser deficitarios en superóxido dismutasa.

    Por lo tanto existen dos vías para la reducción de oxígeno a agua que es una molécula totalmente reducida y estable. Una en un paso vía citocromo

2H+ + O2 = 2H2 O

y la otra en tres pasos vía superóxido dismutasa y catalasa (o peroxidasa).

O2  + e- = O2•-

superóxido dismutasa

2 O2•-  + 2H+ = H2O2+ O2

catalasa o peroxidasa

2H2O2 = 2H2O + O2

PRODUCTOS SECUNDARIOS DERIVADOS DE LA REDUCCIÓN DEL O2

- Reacción de Fenton.

    La unión del peróxido de oxígeno y el anión superóxido produce un ion hidroxilo, un radical libre hidroxilo y un singlete oxígeno, siendo el radical libre hidroxilo la especie mas peligrosa derivada del oxígeno.

    La reacción se denomina reacción de Fenton o de Haber-Weiss

O2•- + H2O2 = OH- + OH• + lO2

- Reacción de la mieloperoxidasa.

    Consiste en la unión de Cl con peróxido de hidrogeno produciendo ácido hipocloroso. Sucede en las vesículas fagocíticas de los neutrófilos como un paso esencial en la destrucción de bacterias. La reacción esta catalizada por la mieloperoxidasa. Curiosamente también se forma ácido hipocloroso en el óvulo inmediatamente después de la fecundación lo que conduce a la polimerización de proteínas que forman la membrana que impide la ulterior penetración de espermatozoides.

H2O2 + 2Cl- = 2HOCl

    El hecho de que la formación de radicales libre hidroxilo se produzcan como efecto de las radiaciones ionizantes ha conducido a Gerschman a proponer que tanto éstas como la toxicidad del oxígeno se pueden explicar a partir del radical libre hidroxilo. Lo cierto es que la hiperoxia incrementa los efectos de las radiaciones y la hipoxia los reduce lo que desgraciadamente va a favor de la supervivencia de células tumorales en las áreas poco oxigenadas de los tumores.

    El estadio inicial es el paso de dioxígeno a anión superóxido por lo tanto son fundamentales las fuentes de electrones para la reducción del oxígeno a superóxido.

FUENTES DE ELECTRONES

    Un mecanismo clásico en los laboratorios es el paso de xantina a ácido úrico, oxidación que libera un anión superóxido interviniendo la xantina oxidasa

Xantina + O2 = ácido úrico + O-2

    La xantina se produce a partir de ATP en condiciones de hipoxia (ATP, ADP, AMP, ADENOSINA, INOSINA, XANTINA) y durante la reperfusión se produce la reacción con el oxígeno y la formación del radical libre.

    Un efecto similar produce el factor de necrosis tumoral que a través de una serie de acciones produce el paso de xantina dehidrogenasa a xantina oxidasa que es el enzima critico en el proceso.

    Un donante de electrones puede ser el ion ferroso al pasar al estado férrico mecanismo que se ha propuesto para la artritis reumatoide. Una reacción similar tiene lugar en la oxidación espontánea de hemoglobina a metahemoglobina.

    El sistema NADPH oxidasa es el sistema primordial donante de electrones en neutrófilos y macrófagos. El electrón es donado por NADPH que se genera en el circuido de las hexosas monofosfato. El mecanismo se activa por la fagocitosis y produce un incremento enorme del consumo de oxígeno. Se liberan aniones superóxido en la vesícula fagocítica, se reducen a peróxido de oxígeno y reacciona con cloro para formar ácido hipocloroso. Evidentemente la ausencia de NADPH oxidasa provoca graves alteraciones de la defensa anti infecciosa (granulomatosis). Por otra parte su activación inapropiada puede alterar el epitelio pulmonar en la enfermedad de dificultad respiratoria del adulto.

    Existen productos exógenos que pueden actuar como la NADPH oxidasa y provocar la transferencia de electrones desde NADPH al oxígeno. Un ejemplo es el paraquat y también la bleomicina y otros antibióticos a altas dosis.

    Por supuesto el aumento de PO2 favorece la producción de radicales libres por simple efectos de la ley de acción de masas. En los tejidos normales parece que las defensas contra los radicales libres son suficientes hasta PO2 =450 mmHg.

DIANAS BIOLÓGICAS DE LOS RADICALES LIBRES.

    Existen tres, esencialmente:

- ácido desoxirribonucleico DNA

- lípidos

- proteínas con grupos sulfidrilo

    A tener en cuenta que los tres son sensibles a las radiaciones y que existe sincretismo en los efectos de estas y el oxígeno.

Cromosomas.

    En fibroblasto pulmonar de hámster se ha descrito ruptura de cromosomas tras la exposición al oxígeno. Después de dos días de exposición a oxígeno al 95% se multiplica por 25 la tasa de mutaciones.

Lípidos.

    La peroxidación de los lípidos es uno de los mecanismos principales de lesión tisular por radicales libres derivados del oxígeno. Al interaccionar el radical libre con un ácido graso insaturado se rompe la molécula lipídica y se genera un nuevo radical libre lo que genera una cascada hasta que aparece algún carroñero de radicales libres. El resultado es la interrupción de las membranas con perdida de la integridad de la barrera alvéolo/capilar a nivel del pulmón.

Proteínas azufradas.

    En estos casos los radicales libres promueven la formación de puentes disulfuro alterando la función enzimática.

DEFENSA CONTRA LOS RADICALES LIBRES

    La vida en un ambiente oxidante solo es posible gracias a los mecanismos de defensa que han desarrollado todos los seres aerobios desde hace unos 345 millones de años en que parece ser constante la FIO2.

Enzimas.

    La SOD superóxido dismutasa y la CAT catalasa pueden ser inducidas después de 7 días de exposición a 85% de O2 y por inyección de endotoxina. Su utilización clínica es difícil ya que son enzimas intracelulares con una vida media muy corta en plasma. Existen algunos intentos de uso experimental administradas en liposomas o conjugándolas con poli etilen glicol.

Antienzimas.

    Se trata de inhibir a la xantina oxidasa mediante alopurinol para impedir la génesis de superóxido.

Carroñeros de radicales libres.

    El sistema glutatión (GLI-CIS-CLU)/glutatión peroxidasa puede eliminar radicales libres procedentes del oxígeno y también de la peroxidación lipídica. Existen otros como la vitamina E, ácido ascórbico, dimetiltiourea, n-acetil cisteina y el dimetilsulfoxido.

Agentes quelantes de hierro.

    Puesto que el ion ferroso es una fuente de electrones para la formación de superóxido y además un catalizador en la reacción de Fenton la desferroxamina puede jugar un papel importante terapéutico.

Esteroides.

    No se conoce muy bien su papel. Al parecer la metil prednisolona a altas dosis previene la ruptura de cromosomas y la dexametasona a altas dosis puede tener valor terapéutico en las fases tardías de la toxicidad pulmonar aunque disminuye la supervivencia si se administra tempranamente.

    En condiciones normales los antioxidantes como glutation reducido y la vitamina E contrarrestan el efecto de los radicales libres.

Reversibilidad de los efectos.

    En los estadios iniciales la toxicidad es reversible de manera completa. Sin embargo la exposición continuada produce daños irreversibles. La recuperación de los efectos pulmonares graves puede requerir varios días.

Tratamiento.

    La prevención es el mejor tratamiento por ello cuando se ha de respirar a presión es mejor utilizar mezclas de O2 y otros gases inertes  con menos del 100% de oxígeno.

    En caso de exposición la interrupción periódica de la exposición parece incrementar de manera evidente el periodo de tolerancia.

    Los agentes narcóticos como el fenobarbital pueden impedir las convulsiones (pero el daño celular puede continuar) y los quelantes que eliminan metales de los enzimas pueden prevenir los efectos bioquímicos sobre las células.

    Algunas sustancias que contienen grupos sulfidrilo (glutatión, cisteina) pueden interferir con los mecanismos de toxicidad.

UTILIZACIÓN CLÍNICA DEL OXÍGENO

HIPEROXIA.

Se deben distinguir dos situaciones:

- Hiperoxia por hiperventilación

- Hiperoxia por respirar una mezcla rica en oxígeno a presión atmosférica.

- Hiperoxia por respirar oxígeno a hiperpresión: oxigenación hiperbárica.

    La hiperoxia por hiperventilación tiene un limite absoluto (máximo valor teóricamente posible de PAO2)  en el valor de  PIO2 de acuerdo con la relación:

PAO2= PIO2-PCO2/R

    Pero normalmente tiene su máximo en 120 mmHg ya que es prácticamente imposible reducir PCO2 por debajo de 30 mmHg. sólo mediante la hiperventilación. Con estos valores de PO2 prácticamente no se modifica ni la saturación, ni el contenido de oxígeno de la sangre arterial.

    Incluso respirando oxígeno a presión normal los cambios son relativamente pequeños así si calculamos los contenidos de oxígeno en 100 ml de sangre tendremos:: 

lugar de medida/ mezcla respirada Aire Oxígeno Oxígeno a 3 atmPaO2 mmHg 98 600 2025CaO2 ml/100ml 19,3 21,3 25,5CvO2 ml/100 ml 14,3 16,3 20,5PvO2 mmHg 39 48 360

    La razón esencial es que el oxígeno consumido sigue procediendo en su mayor parte del unido a la Hb ya que el disuelto 0,003 ml/dl por mmHg es del orden de 0,25-0,3 ml/dl respirando aire normal y como mucho 1,8 ml/dl con oxígeno puro. Consumido éste la PVO2 seria cero y todavía se requieren del orden de 3 ml/dl procedentes de la Hb.

    Cuando se respira a hiperpresión a 3 atm el oxígeno en solución alcanza los 6 ml/dl que permiten extraer todo el oxígeno del disuelto y por lo tanto mantener alta la PVO2.

OXIGENACIÓN ISOBÁRICA.

    Empleo este término para referirme a la respiración a presión de nivel del mar pero con aire enriquecido en oxígeno.

    Está indicada en casos de hipoxemia arterial (anoxia anóxica) que puede estar causada por hipoventilación o por aumento de mezcla venosa. También en casos de hipoxia por sangría (hipoperfusión). Aunque el cambio a nivel venoso (por lo tanto a nivel tisular) parece escaso puede ser esencial en determinadas circunstancias.

    En la anoxia anémica esta terapia es poco eficaz ya que el incremento de contenido de oxígeno a expensas del disuelto es poco importante frente al causado por la perdida de Hb.

    Un efecto importante de respirar aire enriquecido con oxígeno es la disminución de la presión total de los gases respiratorios de acuerdo con los siguientes datos:

  sangre arterial sangre venosaPRESIONES AIRE OXÍGENO AIRE OXÍGENOPO2 100 600 40 50PCO2 40 40 46 46PN2 570 0 570 0TOTAL 710 640 656 96

    La razón es que el oxígeno se consume mientras que los gases inertes no, esto permite incrementar la velocidad con la que se eliminan gases acumulados (émbolos, neumotórax o distensión abdominal).

    En consecuencia también está indicada la oxigenación isobárica en el envenenamiento por CO ya que se incrementa la disociación de la carboxihemoglobina además de aumentar el contenido de oxígeno arterial.

OXIGENACIÓN HIPERBÁRICA.

    Es la única manera de superar la PaO2= 675 mmHg. Pero no se debe pensar que la PO2 a nivel tisular será tan elevada ya que como se ha visto se requieren 3 atm para que el consumo de oxígeno sea posible sólamente a expensas del oxígeno disuelto.

    Aunque se considera que la saturación de la Hb en sangre venosa reducirá su poder buffer y el transporte de CO2 como compuestos cabamínicos con la consecuente retención de CO2, en realidad la PCO2no aumenta más de 7,5 mmHg, aunque esto puede ser suficiente para causar una vasodilatación cerebral con incremento del flujo y por lo tanto un aumento secundario de PO2 a éste nivel..

    El aumento de PO2 produce vasoconstricción que puede ser útil para reducir el edema en casos de isquemia y quemaduras.

    El aumento de PO2 puede tener efecto antibacteriano mediante el incremento de radicales libres y el aumento de acción de los polimorfo nucleares.

    El aumento de PO2 mejora la cicatrización de las heridas y en particular incrementa la angiogénesis.

    Al efecto de disminución de la presión total de los gases en sangre venosa se añade el efecto Boyle es decir la reducción del volumen de los gases cuando el organismo se expone a alta presión.

INDICACIONES DE LA OXIGENACIÓN HIPERBÁRICA.

    Se trata de una terapia cara por lo que es explicable la propaganda a su favor. No hay mucha experimentación en condiciones adecuadas para sacar conclusiones.

- Infecciones.

Se utiliza desde que Brummelkamp (1965) demostró su utilidad en infecciones por anaerobios. El mecanismo de actuación es el aumento de la producción de radicales libres que afectan tanto a anaerobios como a aerobios. Las indicaciones más evidentes son mionecrosis por clostridios, osteomielitis crónicas refractarias y las infecciones necrotizantes de tejidos blandos, incluidas las úlceras cutáneas.

- Envenenamiento por CO

Se utiliza desde los trabajos pioneros de Sharp, Ledingham y Normam (1962) aunque su utilidad máxima es en los estadios iniciales momento en que pueden no estar disponibles los aparatos necesarios por lo que existen sugerencias para instalar minicámaras en las ambulancias.

- Embolismo gaseoso y enfermedad por descompresión.

Se ha indicado en su momento la justificación de su empleo.

- Hipoxia por hipoperfusión.

Tiene sentido cuando el trastorno de hipoperfusión no es muy intenso ya que un fallo grave de perfusión no se puede compensar. Los resultados son discutibles en el infarto de miocardio, pero se han descrito mejores resultados en injertos de piel y en traumatismos de en las extremidades. En algunos casos de isquemia cerebral se ha logrado devolver la conciencia (Ingvar 1965) y se ha publicado una disminución de mortalidad en casos de shock hemorrágico.

- Quemaduras.

En estos casos la terapia hiperbárica reducen los requerimientos de fluidos, mejora la microcirculación , reduce el edema y facilita la reepitelización disminuyendo las necesidades de injertos.

- Prolongación del tiempo de parada cardiaca.

Aunque parecía prometedor lo cierto es que solo mejora algo la situación en hipotermia en que se asocia una mayor solubilidad de los gases a un menor consumo de oxígeno.

- Cortocircuito intrapulmonar.

No esta nada claro que produzca efectos importantes a nivel de PaO2.

- Radioterapia.

El fundamento estaría en la existencia de un efecto sinérgico entre la radiación y el oxígeno a nivel tumoral pero la revisión de los resultados por Foster (1965) fue decepcionante y actualmente se emplea raras veces.

- Esclerosis múltiple.

No se han podido confirmar los resultados iniciales que mostraban una mejoría entre pacientes tratados a 2 atm FIO2=1 y el grupo control a 2 atm FIO2= 0,1.

 

última revisión miércoles, 05 mayo 2010 por miguel de córdoba