TEMA 22 Y 23 FISIOLOGÍA: RESPIRATORIO

En este tema hablaremos de la anatomía funcional del aparato respiratorio definiendo cada una de sus partes, de la mecánica respiratoria, de los volúmenes y capacidades pulmonares y de la difusión de gases, transporte de O2 y CO2.

TEMA 22 y 23: ANATOMÍA FUNCIONAL DEL APARATO RESPIRATORIO. INTERCAMBIO Y TRANSPORTE DE GASES

La respiración incluye dos procesos, lo que se llama respiración externa que es la absorción de oxígeno y remoción de dióxido de carbono del organismo y respiración interna que es el intercambio gaseoso entre las células y el medio que las rodea que generalmente es el líquido intersticial.

Pero el término respiración se utiliza también y de manera correcta para designar el hecho mecánico de respirar, para designar también el transporte de oxígeno y dióxido de carbono a través de la sangre y se utiliza también para designar las funciones que el oxígeno y el CO₂ tienen a nivel celular (mitocondrial).

En reposo, un hombre normal respira de 12 a 15 veces por minuto y esto representa que entre 6 y 8 litros por minuto de aire son inspirados y expirados. El aire que inspiramos entra en los pulmones, renueva el contenido de gases de los alveolos pulmonares y el oxígeno entra en la sangre por difusión y el CO₂ y otros gases producto del metabolismo celular entran en los alveolos también por difusión.

Parte de la mezcla que está en los pulmones va a ser expirada. Nosotros cuando respiramos, respiramos una mezcla gaseosa, no un gas puro, y por lo tanto la presión de esta mezcla viene dada por la suma de las presiones parciales y la presión parcial de cada gas en esta mezcla es igual a la presión total por la fracción molar.

La mezcla no es totalmente seca, sino que también hay vapores de agua, de ahí que las presiones parciales calculadas teóricamente sean un poco mayores que las presiones reales.

La cantidad de gas que nosotros respiramos puede medirse mediante un aparato que mide la expansión del tórax y que se llama espirómetro. Pero este aparato mide solamente la cantidad total de gas y no la fracción de cada gas en esa mezcla; esto puede ser medido mediante otro método que es el método de infrarrojos.

El aparato respiratorio lo podemos dividir en dos partes;

• Porción conductora.
• Porción respiratoria.

La porción conductora incluye la cavidad nasal y senos paranasales, la boca, la nasofaringe, la faringe, la laringe, la tráquea, los bronquios primarios que son dos, uno derecho y uno izquierdo, los bronquios secundarios, los bronquiolos y los bronquios terminales.

La porción respiratoria incluye los bronquiolos respiratorios, los conductos y sacos alveolares y los alveolos.

En el aparato respiratorio también podemos incluir una serie de músculos que actúan en la inspiración y en la espiración.

Cavidad nasal

Es una cavidad hueca formada por cartílago, tejido conectivo, músculo y hueso y está recubierta en una gran parte por piel. Esta parte que presenta piel tiene epitelio plano estratificado con pilosidad y el resto presenta epitelio pseudoestratificado ciliado.

En una parte de nuestra cavidad nasal hay una zona que se conoce como zona olfatoria y presenta un tipo especial de epitelio ciliado que se llama epitelio olfatorio.

Senos nasales o paranasales

Son cavidades de los huesos craneales que comunican con la cavidad nasa. Están recubiertos de epitelio ciliado. (Se inflaman cuando hay sinusitis).

Laringe

El aire que penetra por la cavidad nasal o por la boca se desplaza primero por la nasofaringe, luego por la faringe y llega a la laringe. La laringe está formada por nueve cartílagos que son tres cartílagos pares  y tres impares.

Además presenta tejido conectivo y músculos y está recubierta por una membrana mucosa. La laringe no sólo conduce el aire, sino que sirve también para la fonación, la emisión de sonidos porque en ella se encuentran las cuerdas vocales que son de dos tipos, unas falsas que son inmóviles y otras verdaderas que son móviles. El espacio delimitado por estas cuerdas vocales verdaderas se llama glotis.

El tono de voz depende de la abertura laríngea pero el habla depende de la boca, de la lengua y del sistema nervioso.

En la laringe también tenemos que hablar de epiglotis que es un cartílago laríngeo que tiene forma de hoja y que tiene la misión de evitar que el alimento penetre en la laringe y por tanto en la tráquea durante la deglución del alimento.

En los adultos existe epitelio ciliado desde la base de la epiglotis hasta los bronquios y su misión es desechar partículas extrañas.

Tráquea

Es un conducto flexible y sus paredes son muy delgadas y están formados por una serie de cartílagos no cerrados con forma de herradura.

Los cartílagos están unidos lateralmente y verticalmente por cartílago fibroelástico. La parte de la tráquea que está en paralelo con el esófago presenta músculo liso dispuesto en forma de fascículos transversales.

La tráquea internamente está revestida por epitelio cilíndrico ciliado y en este epitelio se presentan glándulas serosas y glándulas mucosas y externamente la tráquea está revestida por una membrana  adventicia. La tráquea a nivel del tórax se divide en dos bronquios.

El pulmón derecho tiene 3 lóbulos y el izquierdo 2. Cada uno de estos lóbulos recibe una rama del bronquio primario. Externamente los pulmones están revestidos por una membrana serosa llamada pleura.

Los bronquios primarios se bifurcan en dos bronquios el izquierdo y tres el derecho. Estos originan numerosas ramificaciones que son los bronquiolos. En principio, los bronquios tienen una estructura más o menos igual a la tráquea, pero a medida que se avanza en la estructura bronquial los cartílagos desaparecen y son reemplazados por placas cartilaginosas, cada vez más y más aisladas y menos numerosas.

Hay que tener en cuenta que la estructura bronquial pulmonar es cilíndrica y no aplanada. La unidad funcional de los pulmones es el lobulillo primario, formado por;

• Bronquiolo respiratorio
• Conducto alveolar
• Saco alveolar
• Alveolo

Con sus respectivos vasos sanguíneos y linfáticos. Tanto la tráquea como los bronquios tienen cilios que evitan que las partículas de polvo pasen a zonas profundas del aparato respiratorio.

Existen dos mecanismos de expulsión de las zonas respiratorias:

1. Tos; las partículas de polvo penetran en zonas profundas respiratorias. Se desencadena un impulso nervioso que va hasta el bulbo que elabora una respuesta que provoca la contracción de los músculos, un aumento de la presión y como consecuencia la glotis se eleva, se abre la epiglotis y el aire sale hacia fuera arrastrando partículas de polvo.
2. Estornudo; se desencadenan cuando las partículas están en zonas respiratorias altas. Es similar a la tos.

Mecánica respiratoria

Mediante la respiración se renueva el aire contenido en los alveolos, y esta renovación se realiza mediante dos movimientos alternos; inspiración y espiración.

A diferencia del corazón, los pulmones los podemos considerar como una bomba de aire subatmosférico, que funciona por ensanchamiento activo del tórax durante la inspiración y por refracción pasiva durante la espiración.

Estructuras que participan en la mecánica respiratoria;

• Diafragma; mediante su contracción y relajación ensancha o acorta la caja torácica, en consecuencia va a existir una modificación de las presiones intratorácicas, lo que provoca que el aire entre o salga de los pulmones.
• La elevación o depresión de las costillas aumenta o disminuye el diámetro anteroposterior de nuestro tórax, por lo que la variación de diámetro provoca también los correspondientes cambios de presión y que el aire entre o salga.
• Músculos torácicos de la inspiración y espiración, capaces de provocar contracciones fuertes y participar en los dos procesos respiratorios incluso activamente en la espiración (proceso pasivo) cuando es necesario mover un volumen de aire.

En la respiración reposada participa solamente el diafragma. Los músculos que elevan la caja torácica, desde el punto de vista funcional son los inspiratorios y los que la deprimen los espiratorios.

El proceso de mecanismo respiratorio ocurre debido a que en condiciones normales entre la caja torácica y nuestros pulmones. Existe simplemente una delgada capa de líquido y estas dos estructuras son elásticas.

Debido a esto, todo movimiento de la caja torácica va acompañado de movimiento pulmonar, porque estos se deslizan fácilmente sobre la caja torácica pero se resisten a ser separados de ella.

Inspiración; proceso activo que consiste en el llenado de aire de los pulmones. Se produce porque los músculos intercostales externos se acortan, y la distancia entre las costillas se hace menor. Las costillas inferiores se elevan y la caja torácica se levanta. Al mismo tiempo el diafragma se contrae, lo que provoca que tire del borde inferior del esternón hacia abajo, y los pulmones se alargan aumentando su volumen y disminuyendo la presión interna, por eso el aire entra.

Espiración; proceso pasivo que consiste en la relajación de los músculos intercostales. Las costillas descienden, el diafragma se relaja elevándose y disminuyendo así la capacidad de la caja torácica y el volumen de capacidad de los pulmones. La presión aumenta y el aire sale.

VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES

Volúmenes; la cantidad de aire que penetra en nuestros pulmones o que sale con la espiración recibe el nombre de volumen normal de respiración pulmonar (VNRP) llamado también volumen circulante o ventilatorio. Es aproximadamente de 400 a 500 ml. Este volumen puede ser modificado. Así el aire inspirado en un esfuerzo inspiratorio máximo recibe el nombre de volumen respiratorio de reserva y su volumen aproximadamente de 3000 ml. Del mismo modo el volumen de aire espirado en un esfuerzo respiratorio activo después de una espiración pasiva es el volumen respiratorio de reserva, que se mide a partir de la espiración pasiva, cuyo volumen es 1000 ml.

El volumen residual es el aire que queda en nuestros pulmones después de un esfuerzo espiratorio activo máximo y equivale a 1200 ml.

A veces es necesario considerar juntos dos o más volúmenes, para lo que utilizamos las Capacidades Pulmonares.

Capacidad vital; es la mayor cantidad de aire que puede ser espirado después de un esfuerzo inspiratorio máximo, que puede ser cronometrado y se llama capacidad vital cronometrada, que está modificada en muchas enfermedades en las cuales la capacidad vital sigue siendo normal. Es la suma del volumen normal más el volumen espiratorio de reserva más volumen inspiratorio de reserva.

Capacidad funcional residual; es la suma del volumen residual más volumen espiratorio de reserva. Es el volumen de aire que queda en nuestros pulmones a nivel espiratorio después de una inspiración normal.

Capacidad inspiratoria; es el volumen normal más el volumen inspiratorio de reserva. Es la cantidad de aire que un individuo puede inspirar cuando comenzamos una inspiración normal más una inspiración máxima.

Capacidad total pulmonar; es la suma de todos los volúmenes y está entre los 5800 y 6000 ml.

Se debe tener en cuenta que todos los valores y volúmenes de capacidades son para el hombre. En las mujeres se reducen entre un 20 % y un 25 %.

DIFUSIÓN

Durante la inspiración nos penetra oxígeno, el cual llega a los alveolos y debido a que existe un gradiente de concentración desde los alveolos a la sangre capilar, el oxígeno va a penetrar en la sangre. Todo lo contrario sucede con el CO₂, ya que al ser mayor la concentración en los capilares pulmonares que en los alveolos el CO₂ va a pasar hacia los alveolos. El oxígeno saldrá de los alveolos por difusión y el CO₂ entrará también por difusión en los alveolos.

En la difusión de gases influyen una serie de factores;

• El grosor de la membrana, este es un factor negativo, a mayor grosor menos posibilidades de difundirse. A este nivel la barrera hematogaseosa es extremadamente delgada, por lo que este factor está minimizado.
• El gradiente que existe a ambos lados de esa membrana. El gradiente depende del coeficiente de difusión del gas y del peso molecular del gas. Se ha visto que el coeficiente de difusión es superior para el CO₂ que para el O₂, por lo tanto el CO₂ va a difundir más fácilmente.
• La superficie de intercambio. A mayor superficie mayor difusión. La superficie es de 50 a 100 m² porque numerosos capilares envuelven a los alveolos.
• Intercambio alveolo – sanguíneo.

Teniendo en cuenta estos factores el oxígeno se difunde continuamente desde el aire alveolar a la sangre y el CO₂ también lo hace continuamente pero en sentido contrario.

Cuando realizamos una inspiración el aire inspirado se va a mezclar con el gas alveolar, reemplazando al oxígeno que ha penetrado en la sangre y diluyendo al CO₂ que ha penetrado en los alveolos. Parte de esa mezcla va a ser expirada. Como el volumen del gas alveolar al final de la espiración está próximo a 2 litros, cada inspiración o espiración no modifica prácticamente la composición del aire alveolar, permaneciendo las presiones parciales de oxígeno y de CO₂ casi constantes en este aire alveolar. Esto hace que la presión parcial e oxígeno en el aire alveolar sea prácticamente siempre de 100 mmHg y por lo tanto la sangre que llega a los pulmones presenta una PO₂ de 40 mmHg, el oxígeno que está en los alveolos va a penetrar en los capilares disolviéndose en el plasma y penetrando en los glóbulos rojos donde se va a combinar con la hemoglobina.

En este proceso de intercambio, no existe ninguna evidencia de que participe otro mecanismo diferente a la difusión pasiva. Esta difusión, sin embargo, tiene que ser muy rápida, porque el tiempo en que permanece cada mol de sangre en los capilares es muy corto.

Se ha visto que la difusión del oxígeno es adecuada para elevar la presión parcial de oxígeno en la sangre hasta 97 mmHg, presión muy próxima a la presión parcial de oxígeno alveolar. Esto ocurre en condiciones normales, pero la capacidad de difusión del oxígeno está disminuida en patologías que causan fibrosis de las paredes alveolares y bloqueo alveolocapilar.

Por el contrario la PCO₂ en sangre venosa es de 46 mmHg, mientras que la PCO₂ en el aire alveolar es de 40 mmHg, por lo tanto el CO₂ difundirá hacia los alveolos siendo la PCO₂ en la sangre que abandona los pulmones de 40 mmHg igual que la presión alveolar. Esto se debe a que el CO₂ atraviesa con facilidad las membranas biológicas y que la capacidad de difusión pulmonar del CO₂ es mucho mayor que la del oxígeno, de ahí que rara vez sea problema la retención de CO₂ en los pacientes con bloqueo alveolo-capilar, que sí tienen problemas con la difusión del oxígeno.

TRANSPORTE DE OXÍGENO

Se realiza mediante dos procesos:

1.      Una pequeña parte disuelta y la cantidad que es transportada así depende de la tensión del oxígeno en ese líquido, siento siempre proporcional; a mayor tensión, mayor cantidad.

2.      La mayor parte se transporta mediante un pigmento respiratorio que se llama hemoglobina, que presenta cuatro subunidades y cada una de ellas es capaz de transportar una molécula de oxígeno, que se une al hierro de estas subunidades. La unión es débil, reversible, y es una oxigenación, no una oxidación, ya que el hierro permanece en estado ferroso. La reacción de unión de la hemoglobina con el oxígeno es reversible y progresiva;

Hb₄        + O₂ --------> Hb₄ O₂

Hb₄O₂ + O_{2 -------------->} Hb₄O₄

Hb₄O₄ + O₂ ---------> Hb₄O₆

Hb₄O₆ + O₂ ---------> Hb₄O_{8 ....................}Hemoglobina saturada

Esta reacción funcionará en un sentido o en otro dependiendo de la PO₂ en el plasma, de tal modo que si la PO₂ es elevada irá en el sentido oxigenación y si la PO₂ disminuye se desoxigenará.

En el hombre no se da la hemoglobina saturada porque para que la hemoglobina se oxigene completamente es necesaria que la PO₂ en el plasma sea de 100 mmHg.

Es posible representar un una gráfica la relación existente entre la PO₂ y el grado de en tanto por ciento de saturación de la hemoglobina. Esta gráfica se llama curva de disociación de la hemoglobina.