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Solubilidad, molaridad y actividad osmótica de los gases

Autor: Dr. Guillermo Lehmann (h), Editor
Email: revohb@infovia.com.ar

Summary

The principles of gas-induced osmosis, demonstrated in the 1970's, may
indicate the origin of fluid shifts between the intra and extra vascular compartments of an organism that is experiencing changes in atmospheric pressure (e. g. during the compression and decompression of deep-sea divers)or switching the inert gas of a breathing mixture even though there is no change in environmental pressure. In physiological conditions there exists a permanent gradient of C02 and 02 between the periphery tissues and the blood which produces a "pulling" of fluids in opposite directions. The osmotic pressure of 02 respirated at 100% and at 2 ATA of pressure, the equivalent of 8.4% of the osmotic pressure of plasmatic proteins, is a value not compensated by C02. The potential for osmotic pressure to be induced by 02 is elevated with an increase in capillary permeability. This entails the loss of macromolecules at the interstitial space, which diminishes the oncotic pressure of the plasma and makes the failure of 02 in the tissue even more evident by the effects of edema. In these cases, gas-induced osmosis could have a decisive importance in the reabsoption of the edema in the soft tissues, effectively breaking the vicious cycle between hypoxia and edema.
(Ref. Oxig Hiperb 2000; Vol. 6, N0 1; 14-21)
Dr. Guillermo Lehmann (h).

Cuando un gas se pone en contacto oil un líquido, se forma una solución que alcanzará un estado de equilibrio cuando el número de moléculas que tiendan a ingresar al líquido sea igual al número de moléculas que se muevan en sentido contrario.
A su vez el volumen de gas que se disolverá en dicho líquido dependerá no solo de la presión parcial del gas sino también de su coeficiente de solubilidad, o coeficiente de Bunsen (a).

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Presión Parcial

Se llama presión parcial de un gas en una solución gaseosa a la presión que tendría dicho gas si a igual temperatura se encontrara el solo, ocupando el volumen total de la solución.
En una solución gaseosa cada gas se comporta independientemente de los demás, como si ellos no existieran.
De acuerdo con la Ley de Henry, la presión parcial de un gas disuelto en un líquido es igual a la presión parcial de ese gas ejercida sobre la superficie del líquido, en estado de equilibrio.

Coeficiente de Solubilidad

Se llama coeficiente de solubilidad, o coeficiente de absorción, o coeficiente de Bunsen al cociente entre el volumen de gas disuelto y el volumen de solvente, cuando el gas en contacto con el líquido se halla a la presión parcial de 1 atmósfera absoluta (ATA) (1.013hPa):

a= Vg/Vi1 [1]

Donde (a) es coeficiente de solubilidad, Vg es volumen de gas y VI volumen del solvente.
De modo que el coeficiente de solubilidad determina la cantidad de gas en solución en un líquido, y ha sido determinado para todas las combinaciones de gases y líquidos.

Por ejemplo el coeficiente del oxígeno al 100% a presión atmosférica en contacto con agua a 0 °C es de 0,049. Aplicando la fórmula [1] vemos que en 100 cc de agua se pueden disolver 4,9 cc de 02 en las condiciones indicadas.

Este coeficiente varía no solo de acuerdo con el gas en contacto con la solución, sino también con el líquido solvente. De acuerdo con la Ley de Henry, la presión parcial del nitrógeno del aire a nivel del mar es de unos 600 mm Hg. Si un vaso con aceite y uno con agua entran en equilibrio con este aire, veremos que habrá unas 5 veces más moléculas de nitrógeno en el aceite que en el agua, ya que el N2 es unas 5 veces más soluble en el primero.

La solubilidad de los gases en los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Por ejemplo a 100C el coeficiente de solubilidad del 02 y del N2 es 0,0380 y 0,0186 respectivamente, y a 37 °C, 0,0236 y 0,0l21.

En la siguiente tabla puede observarse el coeficiente de solubilidad de diversos gases respiratorios en el agua, a presión ambiental y 37 °C.
Tabla 1: Coeficiente de Bunsen para los gases
Oxígeno 
0,024
Dióxido de Carbono 
0,570

Nitrógeno
0,012
Helio
0,008
Monóxido de Carbono
 0,018

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Molaridad

Para muchos fines se presta menos a confusión indicar, en lugar del volumen del gas, el número de moles (o milimoles) que se disuelven en un volumen dado de líquido.

El número de moléculas contenidas en una molécula gramo es el mismo para todas las sustancias. Este número, denominado número de Avogadro, ha sido calculado en 6,02 x 1023, e indica el número de partículas elementales de cualquier clase que contiene 1 mol.

De acuerdo con el concepto de mol y de la Ley de Avogadro se desprende que el volumen de un mol, a igual presión y temperatura, es el mismo para todos los gases. Su valor a 00C y ATA es de 22,4 litros. Esta magnitud (volumen de un mol a 0°C y 1 ATA) recibe el nombre de volumen molar normal.
Conociendo el volumen del gas disuelto y la presión parcial, podemos calcular los milimoles, es decir el número de moléculas de dicho gas disueltas en la solución.
Por ejemplo, sil litro de agua a 0°C se pone en contacto con oxígeno puro a 1 ATA se disuelven en la misma (de acuerdo a lo visto anteriormente) 49 ml de ese gas.
Teniendo en cuenta que el volumen molar normal de los gases es de 22,4 1/mol, se infiere que se han disuelto 2,2 mmol de 02, de acuerdo con la siguiente fórmula:

N= Vg/Vm

Donde N es número de moles, Vg es volumen del gas disuelto y Vm volumen molar normal.
Si la presión aumenta, se comprueba que la cantidad de moléculas de gas disuelto también aumenta; por ejemplo a 2 ATA la molaridad del oxígeno disuelto es el doble, es decir 4,4 mmol/l
En cambio, si la presión parcial disminuye, el número de moléculas de dicho gas también desciende; si el agua es puesta en contacto con aire (1/5 parte de 02 aproximadamente) la molaridad del oxígeno disuelto será ahora de 0,44 mmol/l.

Podemos observar en este ejemplo que el número de moléculas del gas disueltas en el agua aumenta unas 10 veces al sustituir el aire por oxígeno puro a 2 ATA.


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Osmosis Inducida por gases

El fenómeno de la ósmosis se refiere al pasaje de agua (o solvente) a través de una membrana semipermeable, cuando existen soluciones con distinta concentración de partículas de solutos a ambos lados de la misma.

Si bien ninguna membrana biológica es totalmente semipermeable, este fenómeno se produce de igual forma debido al diferente grado de permeabilidad que poseen tanto para el agua como para los solutos.

La presión osmótica (p) depende de la relación entre las partículas de soluto que logran atravesar la membrana y las que son rechazadas por esta.

Por ejemplo, si una membrana parcialmente permeable a un soluto rechaza 7 partículas de cada 10, solo las 7 partículas rechazadas ejercerán presión osmótica; esta tendrá entonces un 0,7 del valor que resultaría si la membrana rechazara todas las partículas (10 de cada 10).

Esta presión osmótica "eficaz" se calcula multiplicando la presión osmótica de la solución por un factor que representa la fracción de partículas de soluto que son reflejadas 
(o rechazadas) por la membrana. Este valor recibe el nombre de coeficiente de reflexión (s).

Las partículas de gran tamaño molecular, como los expansores plasmáticos, tienen un coeficiente de reflexión 1. En cambio para los gases, compuestos por moléculas muy pequeñas y liposolubles, el coeficiente de reflexión es muy bajo (aproximadamente 0,05 para los gases inertes (3).
La presión osmótica inducida por la diferencia neta de la tensión del gas se resume en la siguiente fórmula (4):
p=a s (P-p) [3]


lehmann.gif (29121 bytes)
Fig. 2 (Click sobre la imagen para ampliar): Diferentes concentraciones de gases entre el tejido y la sangre arterial, y cómo estos pueden generar gradientes osmóticos para desplazar fluidos en las direcciones señaladas por las flechas. Nótese cómo el gradiente es despreciable durante la respiración de aire en condiciones normobáricas (a) y el aumento correspondiente respirando 02 a 1 ATA (b) y 2ATA (c). En (d) se agrega el factor de hipoxia tisular no obstante la oxigenación hiperbárica. (modificado de Hills, 15)

Donde a es el coeficiente de Bunsen para el gas, a es el coeficiente de reflexión para el gas en la membrana y 11 se expresa en las mismas unidades que P y p.

Los principios de la ósmosis inducida por gases, establecida en la década del 70 fueron demostrados con experimentos "in vitro" (con membranas inertes y biológicas) e "in vivo".
Kylstra y col. (5) observaron que la presión en un osmómetro lleno con una solución de agua saturada por óxido nitroso, separada del agua destilada por una membrana de poliuretano de 2,5 micras de espesor, sube lentamente entre 8 y 20 milímetros de agua en 10 minutos, hasta retornar gradualmente a 0 dentro de las 2 horas.

Posteriormente se comprobó el movimiento de agua empleando un osmómetro adaptado con diversos tejidos vivos como membranas semipermeables (peritoneo y vejiga, 4). Hills demostró que una solución con nitrógeno (gas más soluble) separada de una solución de helio (gas menos soluble) por una membrana compuesta por una sección de cartílago articular escindido puede atraer agua desde la solución de helio hacia la de nitrógeno.

Estudios realizados con compartimentos subcutáneos conteniendo fluidos saturados con diferentes gases en condiciones "in vivo" ofrecieron datos compatibles con ósmosis inducida por gases,(4). También se han recogido evidencias de que este fenómeno es el que provoca el desplazamiento transitorio de agua en glóbulos rojos, por efecto de los gases inertes(6).
La dificultad para testear la ósmosis inducida por gases inertes in vivo reside en que estos se equilibran rápidamente entre la sangre y los tejidos, de modo que hay pocas oportunidades de encontrar en el Organismo un gradiente de concentración mantenido en el tiempo a través de una barrera de tejido vivo.

Para lograr que dicho gradiente persista se utilizaron conejos, cuyos pulmones fueron intubados y ventilados separadamente, uno con una mezcla normóxica de óxido nitroso y el otro con aire en idénticas condiciones. Pudo observarse que el pulmón ventilado con la mezcla de óxido nitroso normóxico sufrió una notable acumulación de agua, que no se produjo en el pulmón contralateral ventilado con aire. Este fenómeno fue considerado como una manifestación de ósmosis inducida por gases debido a la mayor potencia osmótica del óxido nitroso (7).

Cuando un buzo es sometido a compresión, se produce gradualmente una diferencia neta entre los gases en la sangre y del tejido extravascular. Si la misma se realiza en forma uniforme hasta lograr la presión deseada permaneciendo en ella (fig. 1), la elevación de la presión parcial sanguínea del gas inerte aumentará regularmente en un período T, hasta alcanzar el valor Pl en la presión de exposición máxima. De este modo la presión parcial sanguínea excederá a la de los tejidos, creándose una diferencia que irá disminuyendo a medida que las tensiones tisulares se equilibren con los valores de la sangre.

La caída del gradiente de concentración sigue una relación lineal manteniéndose en varios tejidos (según constantes de tiempo determinadas para el "lavado" de gases) por aproximadamente una hora (8,9). Por lo tanto, si bien gran parte de dicho gradiente desciende a través de las membranas - que son parcialmente selectivas al gas, esta persistirá lo suficiente como para producir un desplazamiento significativo de agua (10)

El estado de equilibrio se logra con mayor dificultad en los tejidos pobremente perfundidos comparado a aquellos mejor perfundidos, provocando movimientos netos de agua desde los primeros (como el cartílago articular) hacia los segundos (como la membrana sinovial).

De acuerdo a esta hipótesis se ha considerado que los dolores articulares descriptos en los buzos podrían ser causados por deshidratación de las superficies articulares originadas en una ósmosis inducida por gases desde el cartílago hacia la sinovial (3,4).

Los límites permisibles de descompresión están limitados por los grados críticos de supersaturación con gases y la dependencia de la eliminación de dichos gases desde los tejidos por la circulación sanguínea, mediante su solución física en la sangre.

En el caso de los buzos, cuando han permanecido cierto tiempo respirando gases bajo presión y los "compartimentos lentos", poco perfundidos de su organismo se han equilibrado y tomado cantidades significativas del gas inerte, durante la descompresión puede esperarse un flujo osmótico de agua corporal en dirección opuesta, desde la sangre hacia estos tejidos.

Estas derivaciones de agua pueden en algún momento causar fenómenos de hemoconcentración, estasis capilar y una alteración en el intercambio de gases en los tejidos (11,12)

También se ha considerado que ciertos fenómenos cutáneos (erupción eritematosa macropapular) que se produce al cambiar la mezcla de gas inerte respirado puede ser originado por una ósmosis inducida por gases(23).

La magnitud de los movimientos de agua corporal , así como de sus secuelas durante la compresión y descompresión solo pueden evaluarse en el organismo intacto, por lo que podemos considerar que los trab4jos anteriormente mencionados explicarían razonablemente dichos fenómenos como consecuencia del desplazamiento osmótico inducido por gases.

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Gases Metabólicos

Los gases metabólicos (C02 y 02), a diferencia de los gases inertes, producen un gradiente de concentración permanente entre la sangre y los tejidos atrayendo agua continuamente en sentidos opuestos (4). Como puede verse en la figura 2a, respirando aire en condiciones normobáricas con un coeficiente respiratorio típico de 0,8; ambas fuerzas se encuentran equilibradas. En estas condiciones, en el pulmón existe un pequeño gradiente a favor de la atracción de agua fuera de las vías respiratorias.

Cuando se respira oxígeno puro la molaridad del mismo aumenta en el fluido que tapiza los alvéolos, elevando el gradiente del mismo sin un correspondiente cambio en el gradiente de C02 (fig. 2b). A medida que aumenta la presión parcial del 02 inspirado, se llega a un punto en que la dirección del flujo osmótico del agua se invierte, ahora empujando agua hacia las vías respiratorias. Esta situación ha sido relacionada a la toxicidad pulmonar inducida por oxígeno (15)

Se ha propuesto la posibilidad de que este mecanismo osmótico ocurra igualmente en los tejidos traumatizados y edematosos, cuando se aumenta la p02 de la sangre arterial.

Fig. 3: Círculo vicioso entre la hipoxia, isquemia y el edema característicos de la lesión de tejidos blandos.

Ahora bien, respirando 02 al 100% a 2 ATA de presión, y de acuerdo con el coeficiente de reflexión del oxígeno a 370 C, la actividad osmótica de las moléculas de 02 disueltas en la sangre se eleva llegando al 8,4 % en relación a la presión osmótica en las proteínas del plasma (que es de unos 25 mmHg) (fig. 2c). 

En todos aquellos casos en los que la presión osmótica del plasma está disminuida por un aumento dc la permeabilidad capilar que permite el escape de macromoléculas hacia el intersticio, este 8,4% puede ser aún más importante. Más aún teniendo en cuenta que al existir dificultades para la difusión de 02 hacia el tejido, cae su p02 aumentando aun mas el gradiente dc concentración con la p02 de la sangre arterial. (fig. 2d)

La atracción osmótica de fluidos hacia la sangre durante la oxigenoterapia hiperbárica podría tener importancia en la reabsorción del edema de los tejidos traumatizados (en casos de edema cerebral, síndrome compartimental, etc.), por lo que reduciría así la presión extravascular, contribuyendo a restablecer la perfusión sanguínea y aliviando la hipoxia, rompiendo de esta forma el círculo vicioso donde la hipoxia y el edema se exacerban mutuamente(14) ( fig. 3)

Generalmente se acepta que durante la OHB el edema se reabsorbe por vasoconstricción. El flujo sanguíneo tisular disminuye un 20% a 2 ATA (16,22), mientras que el flujo venoso en la micro circulación se mantiene, desarrollándose un gradiente que tiende a aliviar el edema local, apreciándose así reducciones de edema de hasta un 50% (17 - 20)

Los argumentos expuestos permiten postular la hipótesis de que los gradientes de oxígeno que se establecen entre la sangre (su fuente de aporte) y los tejidos (su sitio de consumo metabólico) son mantenidos suficientemente en el tiempo, pudiendo generar un bombeo de fluido por ósmosis según la magnitud del gradiente como cualquier otro soluto de tamaño molecular comparable.

Normalmente la atracción de fluido por diferencia de gradiente de oxígeno desde los tejidos hacia la sangre sería contrabalanceada por la del C02 que tiende a atraer agua en sentido contrario. Sin embargo el gradiente de 02 puede aumentar notablemente si el tejido es hipóxico y la p02 de la sangre arterial se eleva haciendo respirar al individuo oxígeno a varias atmósferas de sobrepresión.

Por lo tanto, durante la OHB, al aumentar unas 10 veces la molaridad del oxígeno disuelto en el plasma en relación con lo que ocurre al respirar aire normobárico21' 22, la ósmosis inducida por oxígeno puede ser una poderosa fuerza que contribuya a resolver el edema que ocurre en la injuria de tejidos blandos, rompiendo el círculo vicioso entre la hipoxia, la isquemia y el edema a nivel de este último.

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Bibliografía:

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Revisado:01/07/2008