Capitulo 35 Ganong

17/5/2018
Ganong. Fisiología médica, 25e >
CAPÍTULO 35: Transporte de gas y pH
OBJETIVOS
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.
INTRODUCCIÓN
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
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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.
TRANSPORTE DE OXÍGENO
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 + O 2 ⇄ HbO 2 . 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.
Hb 4 + O 2 ⇄ Hb 4 O 2
Hb 4 O 2 + O 2 ⇄ Hb 4 O 4
Hb 4 O 4 + O 2 ⇄ Hb 4 O 6
Hb 4 O 6 + O 2 ⇄ Hb 4 O 8
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
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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.
FIGURA 35-1.
Curva de disociación de oxígeno-hemoglobina. pH 7.40, temperatura 38°C. El cuadro insertado indica el
porcentaje de hemoglobina saturada según laPo2 y el oxígeno (O2) disuelto. (Redibujado con autorización de
Comroe JH Jr., et al.: The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests, 2nd ed. Year Book, 1962.)
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).
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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.
Cuadro 35-1.
Contenido gaseoso de la sangre
ml/100 ml de sangre que contiene 15 g de hemoglobina
Sangre arterial (PO2, 95 mmHg; PCO2, 40 mmHg;
Sangre venosa (PO2, 40 mmHg; PCO2, 46 mmHg;
Hb, 97% saturada)
Hb, 75% saturada)
Gas
Disuelto
Combinado
Disuelto
Combinado
O2
0.29
19.5
0.12
15.1
CO2
2.62
46.4
2.98
49.7
N2
0.98
0
0.98
0
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
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saturada con oxígeno. Mientras más alto sea el valor de P50, menor es la afinidad de la hemoglobina por este
gas.
FIGURA 35-2.
Efectos de la temperatura y el pH en la curva de disociación oxígeno-hemoglobina. Ambos cambios, en la
temperatura (izquierda) y el pH (derecha) alteran la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. El pH
plasmático puede calcularse con la ecuación de Henderson-Hasselbach modificada, como se muestra.
HCO3–, bicarbonato. (Modificado con autorización de Comroe JH Jr., et al.: The Lung: Clinical Physiology and
Pulmonary Function Tests, 2nd ed. Year Book, 1962.)
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,
HbO 2 + 2, 3-DPG ⇄ Hb − 2, 3-DPG + O 2
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.
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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 oxígenohemoglobina 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.
FIGURA 35-3.
Comparación de las curvas de disociación de hemoglobina y mioglobina. La curva de unión de mioglobina
(B) carece de la forma sigmoide de la curva de unión con hemoglobina (A) a causa de un solo sitio de unión
del oxígeno en cada molécula. La mioglobina también muestra una mayor afinidad por el oxígeno que la
hemoglobina (curva desplazada a la izquierda) y por esa causa libera oxígeno en el músculo cuando el nivel
de PO2 en la sangre es bajo (p. ej., durante el ejercicio).
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TRANSPORTE DE DIÓXIDO DE CARBONO
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:
FIGURA 35-4.
Destino del dióxido de carbono (CO2) en el eritrocito. Cuando ingresa al eritrocito, el dióxido de carbono se
hidrata pronto para formar ácido carbónico (H2CO3) por acción de la anhidrasa carbónica. Este ácido se
encuentra en equilibrio con los hidrogeniones (H+) y su base conjugada, bicarbonato (HCO3–). El hidrogenión
puede interactuar con la desoxihemoglobina, mientras el bicarbonato puede transportarse fuera de la célula
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mediante el intercambiador aniónico (AE1 o banda 3). En efecto, por cada molécula de dióxido de carbono
que entra al eritrocito, hay una molécula adicional de bicarbonato o de cloruro (Cl–) en la célula.
RECUADRO CLÍNICO 35-1
Hemoglobina y unión con oxígeno in vivo
Cianosis
La hemoglobina reducida tiene color oscuro y aparece una coloración azulada oscura en los tejidos, llamada
cianosis, cuando la concentración de hemoglobina reducida en sangre de los capilares es mayor de 5 g/100
ml. Su presencia depende de la cantidad total de hemoglobina en la sangre, el grado de desaturación de la
hemoglobina y el estado de la circulación capilar. La cianosis es más visible en los lechos ungueales y las
mucosas, así como en los lóbulos de las orejas, los labios y los dedos, donde la piel es delgada. A pesar de
que la observación visible denota la presencia de cianosis, no es un signo totalmente fiable. La práctica de
nuevos estudios de la tensión y la saturación de oxígeno arterial, recuentos de sangre y mediciones de
hemoglobina permitirá llegar a diagnósticos más fiables.
Efectos del 2,3-difosfoglicerato en la sangre fetal y almacenada
La afinidad de la hemoglobina fetal (hemoglobina F) por el oxígeno, la cual es mayor que la de la
hemoglobina del adulto (hemoglobina A), facilita el desplazamiento del oxígeno de la madre al feto. La causa
de esta mayor afinidad es la escasa unión del 2,3-difosfoglicerato con las cadenas polipeptídicas γ que
sustituyen a las cadenas β en la hemoglobina fetal. Algunas hemoglobinas anómalas en el adulto tienen
valores bajos de P50 y la elevada afinidad resultante de la hemoglobina por el oxígeno causa hipoxia hística
suficiente para estimular el aumento en la formación de eritrocitos, con la policitemia subsiguiente. Es
interesante especular que estas hemoglobinas tal vez no se unan con el 2,3-difosfoglicerato.
La concentración eritrocítica de este último aumenta en la anemia y en diversas enfermedades en las cuales
hay hipoxia crónica. Esto facilita el aporte de oxígeno a los tejidos porque eleva la PO2, lo cual libera oxígeno
en los capilares periféricos. En la sangre almacenada en los bancos, el valor de 2,3-difosfoglicerato disminuye
y se reduce la habilidad de esta sangre para liberar el oxígeno a los tejidos. Este descenso, que obviamente
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limita el beneficio de la sangre si se transfunde a un paciente hipóxico, es menor si la sangre se almacena en
solución de citrato-fosfato-glucosa, en lugar de la solución usual de ácido-citrato-glucosa.
AVANCES TERAPÉUTICOS
La cianosis es una indicación de hemoglobina con oxigenación deficiente más que una enfermedad, por lo
que puede tener muchas causas que van desde la exposición al frío hasta la sobredosis de fármacos y la
neumopatía crónica. El tratamiento apropiado depende de la causa fundamental. En la cianosis causada por
exposición al frío es eficaz conservar un entorno cálido, en tanto que se necesita a veces administrar oxígeno
complementario en casos de enfermedades crónicas.
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
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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.
Cuadro 35-2.
Destino del dióxido de carbono sanguíneo
En plasma
1. Disuelto
2. Formación de compuestos carbamino con proteínas plasmáticas
3. Hidratación, amortiguado con hidrogeniones, bicarbonato en plasma
En eritrocitos
1. Disuelto
2. Formación de carbamino-hemoglobina
3. Hidratación, amortiguado con hidrogeniones, 70% del bicarbonato ingresa al plasma
4. El cloruro ingresa a las células, aumentan los miliosmoles en las células
FIGURA 35-5.
Curvas de disociación del dióxido de carbono (CO2). El punto arterial (a) y el punto venoso (v) indican el
contenido total de dióxido de carbono que hay en sangre arterial y sangre venosa en el ser humano normal
en reposo. Nótese la baja cantidad de dicho gas que se disuelve (trazo anaranjado) en comparación con el
que puede portarse por otros medios (cuadro 35-2). (Modificada con autorización de Schmidt RF, Thews G
[eds.]: Human Physiology. Springer; 1983.)
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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:
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RCOOH ⇄ RCOO − + H+
pH = pK ′ RCOOH + log
[RCOO − ]
RCOOH
+
RNH 3 ⇄ RNH 2 + H
pH = pK ′ RNH 3 + log
[RNH 2 ]
[RNH 3 ]
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.
FIGURA 35-6.
Curvas de cuantificación comparativa de hemoglobina oxigenada (HbO2) y desoxihemoglobina (Hb). La
flecha que va de a hacia c indica el número de milimoles adicionales de H+ que puede amortiguar la
hemoglobina, en comparación con una concentración similar de HbO2 (es decir, no hay desplazamientos ni
cambios en pH). La flecha que va de la letra a a la letra b indica el cambio de pH que surgiría con la
desoxigenación de HbO2 sin el aporte adicional de H+.
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El tercer y principal sistema amortiguador en la sangre es el sistema ácido carbónico-bicarbonato:
H2 CO 3 ⇄ H+ + HCO −3
La ecuación de Henderson-Hasselbach para este sistema es:
pH = pK + log
[HCO −3 ]
[H 2 CO 3 ]
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:
H2 CO 3 ⇄ CO 2 + H2 O
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:
pH = 6.10 + log
[HCO −3 ]
[CO 2 ]
La forma de esta ecuación con relevancia clínica es:
pH = 6.10 + log
[HCO −3 ]
0.0301 PCO 2
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–].
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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 CO 2 + H2 O ⇄ H2 CO 3 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.
ACIDOSIS Y ALCALOSIS
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.
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Cuadro 35-3.
pH plasmático, bicarbonato (HCO3–) y valores de PCO2 en varios trastornos típicos del equilibrio acidobásicoa
Plasma arterial
HCO3–
PCO2
(mEq/L)
(mmHg)
7.40
24.1
40
7.28
18.1
40
Ingestión de NH4Cl
6.96
5.0
23
Acidosis diabética
7.50
30.1
40
Ingestión de NaHCO3
7.56
49.8
58
Vómito prolongado
7.34
25.0
48
Respiración de CO2 al 7%
7.34
33.5
64
Enfisema
7.53
22.0
27
Hiperventilación voluntaria
7.48
18.7
26
Residir por 3 semanas a 4 000 m de
Condición
pH
Normal
Acidosis metabólica
Alcalosis
Causa
metabólica
Acidosis
respiratoria
Alcalosis
respiratoria
altitud
aEn los ejemplos de la acidosis diabética y vómito prolongado, hubo compensación respiratoria para la acidosis y
alcalosis metabólicas primarias, y la PCO2 se desvió de 40 mmHg. En los ejemplos de enfisema y gran altitud, ocurrió
compensación renal para la acidosis y alcalosis respiratorias primarias y se generaron desviaciones del bicarbonato
plasmático normal mayores de las que serían de otra manera. NH4Cl, cloruro de amonio; NaHCO3–, bicarbonato de
sódio; CO2, dióxido de carbono.
ACIDOSIS RESPIRATORIA
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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.
FIGURA 35-7.
Nomograma acidobásico. Se muestran los cambios en la PCO2 (líneas curvas), el bicarbonato (HCO3–)
plasmático y el pH (concentración de hidrogeniones [H+]) de la sangre arterial en la acidosis y la alcalosis
respiratorias y metabólicas. Nótense los cambios en el bicarbonato y el pH conforme se compensan la
acidosis y la alcalosis respiratorias agudas, lo cual produce sus contrapartes crónicas. (Reproducido con
autorización de Brenner BM, Rector Fc Jr. (eds.): Brenner and Rector´s The Kidney, 7th ed. St. Louis, MO:
Saunders, 2004.)
ALCALOSIS RESPIRATORIA
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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).
FIGURA 35-8.
Trayectos acidobásicos durante la acidosis metabólica. Se grafican los cambios en el pH plasmático
verdadero, bicarbonato y PCO2 en reposo; durante la acidosis y la alcalosis metabólicas y después de la
compensación respiratoria. La acidosis o la alcalosis metabólicas generan cambios en el pH sobre la línea
isobárica de la PCO2 (línea de en medio). La compensación respiratoria mueve el pH hacia la normalidad
mediante alteración de la PCO2 (flechas de arriba y abajo). (Modificado con autorización de Davenport HW:
The ABC of Acid-Base Chemistry, 6th ed. University of Chicago Press; 1974.)
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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.
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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.
HIPOXIA
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.
RECUADRO CLÍNICO 35-2
Valoración clínica del estado acidobásico
En la valoración de trastornos del equilibrio acidobásico, es importante conocer el pH y el contenido de
bicarbonato en el plasma arterial. Son factibles las mediciones confiables de pH con un medidor de pH y un
electrodo de vidrio para pH. Si se usa el pH y una medición directa de la PCO2 con un electrodo para dióxido
de carbono, es posible calcular la concentración de bicarbonato. La PCO2 es 7 a 8 mmHg mayor y el pH es de
0.03 a 0.04 unidades más bajo en el plasma venoso comparado con el arterial porque la sangre venosa
contiene el dióxido de carbono que se transporta de los tejidos a los pulmones. Por tanto, la concentración
calculada de bicarbonato es casi 2 mmol/L mayor. Sin embargo, si se mantiene esto presente, la sangre
venosa de flujo libre puede sustituirse por sangre arterial en la mayor parte de las situaciones clínicas.
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Una medición que posee algún valor en el diagnóstico diferencial de la acidosis metabólica es la brecha
aniónica. Esta brecha, que es un término más bien erróneo, se refiere a la diferencia entre la concentración
de cationes distintos al ion Na+ y la concentración de aniones distintos al Cl– y al HCO3– en plasma. En su
mayor parte, aquélla consiste en proteínas en su forma aniónica, fosfato dibásico (HPO42–), sulfato (SO42–) y
ácidos orgánicos; el valor normal es 12 mEq/L. Este aumenta cuando disminuye la concentración plasmática
de iones de potasio (K+), calcio (Ca2+) o magnesio (Mg+); si la concentración o la carga de las proteínas
plasmáticas se incrementan, o cuando se acumulan en la sangre aniones orgánicos, como lactato o aniones
extraños. Dicho valor se reduce cuando aumentan los cationes o si la albúmina plasmática disminuye. La
brecha aniónica se incrementa en la acidosis metabólica por cetoacidosis, acidosis láctica y otras
modalidades de acidosis en las cuales aumentan los aniones orgánicos.
HIPOXEMIA
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.
FIGURA 35-9.
Composición del aire alveolar en individuos que respiran aire (0-6 100 m) y oxígeno al 100% (6 100-13 700 m).
La PO2 alveolar mínima que un sujeto no aclimatado puede tolerar sin perder el estado de conciencia es de
35 a 40 mmHg. Nótese que conforme aumenta la altitud, la PCO2 alveolar disminuye por la hiperventilación
consecutiva a la estimulación hipóxica de los quimiorreceptores carotídeos y aórticos. El descenso en la
presión barométrica con el aumento de altitud no es lineal, ya que es compresible.
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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.
RECUADRO CLÍNICO 35-3
Efectos de la hipoxia en las células y algunos tejidos
Efectos en las células
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La hipoxia induce la producción de factores de trascripción (factores inducibles por hipoxia [HIF]). Están
conformados por subunidades α y β. En tejidos con oxigenación normal, las subunidades α se unen
rápidamente a ubiquitina y se destruyen. Sin embargo, en las células hipóxicas las subunidades α se
dimerizan con las subunidades β y los dímeros activan los genes que producen factores angiógenos y
eritropoyetina.
Efectos en el cerebro
En la hipoxemia y otras presentaciones generalizadas de hipoxia, el cerebro se afecta primero. Un descenso
súbito en la PO2 inspirada a menos de 20 mmHg, que ocurre por ejemplo cuando se pierde de pronto la
presión en la cabina de un avión que vuela a más de 16 000 m, genera estado de inconsciencia en 10 a 20 s y
muerte en 4 a 5 min. La hipoxia menos grave causa diversas alteraciones mentales, parecidas a las
producidas por el alcohol: deterioro del juicio, somnolencia, amortiguación de la sensibilidad al dolor,
excitación, desorientación, pérdida de la noción del tiempo y cefalea. Otros síntomas incluyen anorexia,
náusea, vómito, taquicardia y, cuando la hipoxia es grave, hipertensión. La frecuencia respiratoria se
incrementa en proporción a la gravedad de la hipoxia en las células del quimiorreceptor carotídeo.
Estimulación respiratoria
Por definición, la disnea es la respiración difícil o laboriosa en la cual la persona está consciente de la falta de
aliento; la hiperpnea es un término general para referirse al aumento de la frecuencia respiratoria, sin
importar las sensaciones subjetivas del sujeto. La taquipnea es la respiración rápida y superficial. En general,
un individuo normal no está consciente de la respiración hasta que la ventilación se duplica, y la respiración
no es incómoda hasta que la ventilación aumenta al triple o cuádruple. El que cierto grado de ventilación sea
o no incómodo también parece depender de varios factores más. La hipercapnia y, en menor medida, la
hipoxia causan disnea. Un factor adicional es el esfuerzo implicado en el desplazamiento del aire dentro y
fuera de los pulmones (el trabajo respiratorio).
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.
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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.
FIGURA 35-10.
Efecto de la aclimatación en la respuesta ventilatoria a varias altitudes. es el equivalente ventilatorio, es
decir, la proporción entre el volumen espirado por minuto () y el consumo de oxígeno (). (Reproducido con
autorización de Lenfant C, Sullivan K: Adaptation to high altitude. N Engl J Med 1971, June 10;284(23) 12981309.)
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.
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ENFERMEDADES QUE CAUSAN HIPOXEMIA
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.
RECUADRO CLÍNICO 35-4
Efectos tardíos de las grandes altitudes
Cuando llegan a un sitio a gran altitud, muchos individuos presentan “mal de montaña” pasajero. Este
síndrome aparece 8 a 24 h después del arribo y dura cuatro a ocho días. Se caracteriza por cefalea,
irritabilidad, insomnio, disnea, náusea y vómito. Se desconoce su causa, pero parece vincularse con edema
cerebral. La PO2 baja de las grandes altitudes causa dilatación arteriolar y si la autorregulación cerebral no
compensa, hay un aumento en la presión capilar que favorece la elevación de la trasudación de líquido hacia
el tejido cerebral.
Dos síndromes más graves acompañan a las enfermedades de grandes altitudes: el edema cerebral de
grandes alturas y el edema pulmonar de grandes alturas. En el primero, la fuga capilar del mal de montaña
progresa a edema cerebral evidente con ataxia, desorientación y, en algunos casos, con coma y muerte por
hernia encefálica a través de la tienda del cerebelo. El edema pulmonar de gran altitud es el edema en
parches en los pulmones, el cual se acompaña de hipertensión pulmonar marcada que aparece a grandes
altitudes. Se argumenta que ocurre porque no todas las arterias pulmonares tienen músculo liso suficiente
para constreñirse en respuesta a la hipoxia, y en los capilares alimentados por esas arterias el aumento
general en la presión arterial pulmonar induce elevación de la presión capilar que rompe las paredes de
aquéllos (falla de tensión).
AVANCES TERAPÉUTICOS
Todas las modalidades de enfermedad por gran altitud se benefician con el descenso a una menor altitud y
con la administración del diurético acetazolamida. Este fármaco inhibe la anhidrasa carbónica, PaCO3, lo
cual estimula la respiración, aumenta la PCO2 y reduce la formación de líquido cefalorraquídeo. Cuando el
edema cerebral es marcado, a menudo se proporcionan también grandes dosis de glucocorticoides. El
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mecanismo de acción de estos se desconoce. En el edema pulmonar por gran altitud, es esencial la atención
expedita con oxígeno y, si está disponible, una cámara hiperbárica. Ahora existen cámaras hiperbáricas
portátiles en varias áreas de la montaña. También es útil la nifedipina, un bloqueador de los conductos de
calcio que disminuye la presión arterial pulmonar.
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.
FIGURA 35-11.
Comparación de las relaciones entre ventilación y flujo sanguíneo en los estados de salud y de enfermedad.
Izquierda: relación “ideal” ventilación-flujo sanguíneo. Derecha: ventilación no uniforme y flujo sanguíneo
uniforme, descompensado. V.A, ventilación alveolar; MV, volumen respiratorio por minuto. (Reproducido con
autorización de Comroe JH Jr, et al.: The Lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests, 2nd ed.
Year Book, 1962.)
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OTRAS FORMAS DE HIPOXIA
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).
FIGURA 35-12.
Efectos de la anemia y el monóxido de carbono (CO) en la unión de hemoglobina con oxígeno. Curva de
disociación normal de oxihemoglobina (hemoglobina, 14 g/100 ml) comparada con anemia (hemoglobina, 7
g/100 ml) y con las curvas de disociación de oxihemoglobina en intoxicación con monóxido de carbono (50%
de carboxihemoglobina). Nótese que la curva de intoxicación con monóxido de carbono se desvía a la
izquierda en caso de anemia. (Reproducido con autorización de Le AR, Schumacker PT: Respiratory
Physiology: Basics and Applications. Saunders, 1993.)
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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
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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
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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 E HIPOCAPNIA
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.
RECUADRO CLÍNICO 35-5
Administración de oxígeno y su toxicidad potencial
Resulta interesante que aunque el oxígeno es necesario para la vida de los organismos aerobios, también es
tóxico. De hecho, está demostrado que el oxígeno al 100% tiene efectos tóxicos, no solo en animales, sino
también en bacterias, hongos, células animales en cultivo y plantas. La toxicidad parece deberse a la
generación de especies reactivas de oxígeno, incluidos el anión superóxido (O2–) y el peróxido de hidrógeno
(H2O2). Cuando se proporciona oxígeno al 80 a 100% en seres humanos por periodos de 8 h o más, las vías
respiratorias se irritan, lo cual causa molestia retroesternal, congestión nasal, irritación faríngea y tos.
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Algunos lactantes tratados con oxígeno por síndrome de insuficiencia respiratoria generan un trastorno
caracterizado por quistes y densidades pulmonares (displasia broncopulmonar). Este síndrome quizá sea
una manifestación de la toxicidad del oxígeno. Otra complicación en estos lactantes es la retinopatía de la
premadurez (fibroplasia retrolenticular), que es la formación de tejido vascular opaco en los ojos que puede
ocasionar alteraciones visuales graves. Los receptores retinianos maduran desde el centro a la periferia de la
retina y utilizan cantidades considerables de oxígeno. Esto hace que la retina se vascularice de manera
ordenada. El tratamiento con oxígeno antes que se complete la maduración aporta el oxígeno necesario a los
fotorreceptores y, por consiguiente, no se desarrolla el tipo vascular normal. La evidencia indica que este
trastorno puede prevenirse o aminorarse con la administración de vitamina E, la cual genera un efecto
antioxidante y, en animales, con inhibidores de la hormona del crecimiento.
La utilización de oxígeno al 100% a una presión alta acelera el inicio de la toxicidad por oxígeno, con la
producción no solo de irritación traqueobronquial, sino también de sacudidas musculares, zumbido en los
oídos, mareo, crisis convulsivas y coma. La velocidad a la cual surgen estos síntomas es proporcional a la
presión con la que se administra el oxígeno; por ejemplo, a 4 atm, los síntomas aparecen en 50% de los
sujetos en 30 min, en tanto a 6 atm, se observan crisis convulsivas en unos cuantos minutos.
Por otro lado, la exposición a oxígeno al 100% a una presión de dos a tres atmósferas aumenta el oxígeno
disuelto en la sangre arterial hasta el punto que la presión arterial de oxígeno es mayor de 2 000 mmHg y, la
de oxígeno en los tejidos, de 400 mmHg. Si la exposición se limita a 5 h o menos con estas presiones, no hay
efectos tóxicos del oxígeno. Por tanto, el tratamiento con oxígeno hiperbárico en tanques cerrados se usa
para tratar enfermedades en las cuales no puede lograrse la mejoría en la oxigenación de los tejidos de otra
manera. Su valor está demostrado en la intoxicación por monóxido de carbono, lesión hística inducida por
radiación, gangrena gaseosa, anemia por pérdida sanguínea muy grave, úlceras diabéticas en las piernas y
otras heridas con cicatrización lenta, así como en el rescate de colgajos cutáneos e injertos en los que la
circulación es marginal. También es el tratamiento principal en la enfermedad por descompresión y la
embolia gaseosa.
En pacientes hipercápnicos con insuficiencia pulmonar grave, el nivel de dióxido de carbono puede ser tan
alto que deprime la respiración en lugar de estimularla. Algunos de estos sujetos solo mantienen la
respiración porque los quimiorreceptores carotídeos y aórticos impulsan el centro respiratorio. Si se retira el
impulso hipóxico con el suministro de oxígeno, la respiración podría detenerse. Durante la apnea resultante,
la PO2 arterial disminuye, pero tal vez la respiración no se reanude, ya que la PCO2 deprime el centro
respiratorio. Por consiguiente, en esta situación el tratamiento con oxígeno debe iniciarse con cuidado.
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.
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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.
RESUMEN DEL CAPÍTULO
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;
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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.
BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL
Crystal RG, West JB (editors): The Lung: Scientific Foundations , 2nd ed. Raven Press, 1997.
Fishman AP, et al. (editors): Fishman’s Pulmonary Diseases and Disorders , 4th ed. McGraw-Hill, 2008.
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West JB: Pulmonary Pathophysiology , 7th ed. Wolters Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins, 2008.
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