Etapas o fases de la respiración.
Ventilación pulmonar. Mecanismos de la inspiración y la espiración.
1. Intercambio de aire entre la atmósfera y los pulmones.
Constantemente se presenta un intercambio de aire entre la atmósfera y el pulmón, a través de los ciclos inspiratorio y espiratorio.
La inspiración es responsable del ingreso de aire a nuestros pulmones desde la atmósfera, mientras que la espiración es responsable de la salida del aire de nuestros pulmones hacia la atmósfera.
La entrada y salida del aire obedece a diferentes gradientes de presión, que se observan entre el aire atmosférico y el aire pulmonar, condicionados estos últimos por los cambios en el volumen de los pulmones.
Existe una relación entre el volumen del recipiente que ocupa un gas y la presión que el gas ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene.
Los gases están constituidos por moléculas, que se encuentran en constante movimiento chocando entre sí y chocando con las paredes del recinto que lo contiene.
La sumatoria de los múltiples choques contra la pared es lo que determina la presión del gas.
La relación entre el el volumen del recipiente y la presión del gas es inversamente proporcional.
A mayor volumen del recipiente, menor será la presión; al contrario si el volumen se reduce obviamente aumentará la presión del gas. Un menor espacio supone una mayor cantidad de choques entre las moléculas y contra las paredes del recipiente.
Fase Inspiratoria:
La fase inspiratoria, responsable del ingreso del aire a los pulmones, es producto del trabajo de los músculos inspiratorios (intercostales externos y el diafragma), que al contraerse aumentan el tamaño de la caja torácica, provocando a su vez un aumento del volumen de los pulmones y en consecuencia una disminución de la presión del aire en el interior de éstos.
Los músculos inspiratorios responden a los impulsos nerviosos procedentes del centro respiratorio que se encuentra en la médula oblonga.
Los músculos intercostales externos al contraerse levantan las costillas aumentando las medidas antero-posteriores de la caja torácica, mientras que la contracción del diafragma provoca un descenso, aumentando las medidas longitudinales de ésta.
El resultado es un aumento del volumen de la caja torácica, un aumento del volumen pulmonar y una disminución de la presión del aire a nivel de los pulmones, en relación con la presión atmosférica.
Esta diferencia de presión es la responsable del ingreso del aire a nuestros pulmones, es decir del acto de la inspiración. El aire se dirigirá de la zona de mayor presión (presión atmosférica), hacia la zona de menor presión (presión del aire a nivel del pulmón).
Fase espiratoria:
En condiciones de reposo la fase espiratoria es un acto pasivo. Simplemente los músculos inspiratorios se relajan, después de la fase de contracción.
Al relajarse estos músculos, disminuye de nuevo el tamaño de la caja torácica y por ende disminuye el volumen pulmonar incrementándose la presión del aire en los pulmones.
Al tornarse la presión intrapulmonar mayor que la presión atmosférica, el aire es obligado a salir de nuestros pulmones.
En condiciones de ejercicio físico, la fase espiratoria se torna activa e involucra el trabajo de los músculos intercostales internos y abdominales.
2. intercambio gaseoso entre el aire alveolar y la sangre
El aire atmosférico que ingresa al pulmón está constituido por una mezcla de gases, siendo los de mayor concentración el nitrógeno, el oxígeno y el gas carbónico, en una proporción de 78,62%, 20,84% y 0,04% respectivamente.
La sumatoria de todas las presiones que ejercen los gases que constituyen el aire atmosférico se denomina presión atmosférica y tiene un valor a nivel del mar de 760 mm de Hg, lo que también equivale a 1 atmósfera. Este valor disminuirá progresivamente a medida que se gane altura.
Conociendo los porcentajes de cada uno de los gases en relación con el valor de presión global, se pueden determinar las presiones de cada uno de los gases, conocidas como presiones parciales.
En el aire atmosférico, la presión del oxígeno es de aproximadamente 159 mm de Hg, mientras que la del gas carbónico es de apenas 0,15 mm de Hg. La presión del nitrógeno (600 mm de Hg) no es muy interesante en este caso, simplemente porque este gas no participa en los procesos metabólicos.
Se puede suponer que estos valores varían si se trata del aire alveolar, por cuanto a este nivel el alvéolo está constantemente perdiendo oxígeno y ganando CO2.
Por lo anterior, la presión del oxígeno en el aire alveolar es de aproximadamente 105 mm de Hg, y la presión del CO2, en el mencionado aire, es de 40 mm de Hg.
El aire alveolar y la sangre están constituidos por una mezcla de gases (O2 y CO2), que en conjunto producen una presión total X, pero su comportamiento, en el sentido de dirigirse hacia alguna parte, es estrictamente individual.
Tanto el oxígeno como el gas carbónico se dirigían por difusión, de la zona en donde el gas en cuestión se encuentra más concentrado, hacia la zona en donde se encuentre menos concentrado.
La siguiente imagen muestra el mecanismo de intercambio gaseoso entre el alvéolo y la sangre y entre ésta y los tejidos.
El oxígeno pasará del alvéolo a la sangre arterial, por cuanto la diferencia de presión entre ambos compartimientos es de 65 mm de Hg (105 mm de Hg en el alvéolo vs. 40 mm de Hg en la sangre venosa).
Por el contrario, el gas carbónico pasará de la sangre venosa hacia el alvéolo para posteriormente ser expulsado de nuestro organismo por medio de la fase espiratoria.
En este caso, la diferencia de presión del CO2 en ambos compartimientos es de 6 mm de Hg (40 mm de Hg en la sangre venosa vs. 40 mm de Hg en el alvéolo).
La sangre arterial partirá del pulmón con una presión del oxígeno del orden de los 100 mm de Hg, y con una presión del gas carbónico del orden de los 40 mm de Hg.
3. Transporte de los gases respiratorios
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El alvéolo es la estructura del pulmón, en donde ocurre el intercambio gaseoso entre éste y la sangre. Son saquitos llenos de aire muy bien capilarizados, que en condiciones normales permaneces secos.
El oxígeno es transportado por la sangre desde los pulmones hacia los tejidos, mientras que el gas carbónico se transporta en sentido contrario, es decir des los tejidos hacia el pulmón, con el propósito de eliminarlo parcialmente con la respiración.
Un 97% del oxígeno es transportado en unión química con la hemoglobina de los eritrocitos, formando el compuesto oxihemoglobina.
Es oportuno aclarar que una molécula de hemoglobina está en capacidad de transportar cuatro moléculas de oxígeno, por cuanto la molécula de hemoglobina en su parte no proteica (globina), presenta cuatro partes hem, cada una de las cuales contiene un átomo de hierro.
El oxígeno se relaciona con el hierro en una proporción de 1:1, es decir una molécula de oxígeno reacciona con un átomo de hierro.
Un gramo de hemoglobina contiene aproximadamente 1,34 mL de oxígeno. Si la concentración de hemoglobina en la sangre es de 15 g / 100 mL de sangre, entonces la cantidad de oxígeno que puede contener los 15 gramos de hemoglobina será de 20,1 nL de oxígeno por cada 100 mL de sangre.
Otra manera como se transporta el oxígeno por la sangre, es disuelto en el plasma: sólo el 3% aproximadamente del oxígeno se transporta de esta manera.
Curva de disociación de la oxihemoglobina:
La curva de disociación del oxígeno y la del hemoglobina, nos relaciona en porcentaje la cantidad de oxígeno que se combina químicamente con la hemoglobina, en dependencia de las presiones del oxígeno en ambientes.
Con una presión de oxígeno aproximadamente de 100 mm de Hg, la hemoglobina se satura de este gas en un 97% aproximadamente. Hay que recordar que a nivel del mar, la presión parcial del oxígeno a nivel de los alvéolos es de 105 mm de Hg.
Loa anterior significa que en estas condiciones, la sangre se satura de oxígeno en un valor muy cercano al 100%.
Hay que recordar que el valor de 100 mm de Hg, es el valor de la presión del oxígeno en la sangre arterial una vez ésta abandona el pulmón para dirigirse al corazón izquierdo.
Cuando la sangre oxigenada llega a los capilares, se produce la disociación del compuesto oxihemoglobina.
La hemoglobina cede parte de oxígeno, requerido por las células de los tejidos. A este nivel, la presión del oxígeno en la sangre pasa de 100 mm de Hg, en sangre arteria, a 40 mm de Hg en sangre venosa.
De acuerdo con la curva de disociación de la oxihemoglobina, la hemoglobina de la sangre venosa se encuentra saturada de oxígeno en un 70% aproximadamente. Es claro entonces que sólo parte del oxígeno que viaja por la sangre arterial es cedido a los tejidos, con el propósito de participar en las acciones energéticas de tipo aeróbico.
Cuando el gas carbónico abandona la célula, se dirige hacia la sangre. Parte de este gas se disuelve en el plasma y de esta manera se transporta desde los tejidos hacia los pulmones.
El resto ingresa al eritrocito y es sometido a dos tipos diferentes de reacciones. La primera hace alusión a la reacción del gas carbónico con la hemoglobina de los eritrocitos, para formar el compuesto carbaminohemoglobina.
En el interior del eritrocito, el ácido carbónico formado se ioniza inmediatamente en forma de iones bicarbonato e hidrogeniones. Hay que recordar que la mayor parte del gas carbónico se transporta en forma de iones bicarbonato.
En la medida que se forma el ión bicarbonato, parte de éste difunde de nuevo al plasma, en donde puede reaccionar con los iones de sodio, para formar bicarbonato de sodio, que como se sabe, puede actuar como sistema buffer en el proceso de neutralización del ácido láctico.
4. intercambio gaseoso entre la sangre y los tejidos
La sangre arterial llega a los tejidos con una presión de oxígeno de aproximadamente 100 mm de Hg.
A este nivel, el oxígeno es consumido continuamente por las células de los tejidos, de tal manera que la presión del oxígeno a nivel de los tejidos es de aproximadamente 40 mm de Hg, o menos, dependiendo del grado de actividad metabólica del tejido en cuestión.
El gradiente de presión del oxígeno entre la sangre y los tejidos, es de 60 mm de Hg, diferencia que obliga al oxígeno por difusión, a pasar de la sangre a las células.
En relación con el gas carbónico producido continuamente por nuestras células, se puede observar que la presión de este gas es de 40 mm de Hg, en la sangre arterial que llega a los tejidos, elevándose a 46 mm de Hg, en la sangre venosa.
A nivel de los tejidos, la presión del CO2 es de 46 mm de Hg, o más, dependiendo del grado de actividad de éstos. Por difusión, el gas carbónico pasará del tejido a la sangre, para ser transportado hacia los pulmones.
5. Respiración interna celular
Algunos fisiólogos consideran a la respiración interna como el intercambio de gases entre la sangre y los tejidos, mientras que otros lo perciben como sinónimo de respiración celular.
Todo es cuestión del punto de referencia, a partir del cual se justifican las denominaciones de respiración externa y respiración interna.
Todo lo ocurrido con los gases respiratorios por fuera de nuestras células se cataloga como respiración externa (ventilación pulmonar, intercambio gaseoso a nivel de los alvéolos, transporte de los gases respiratorios e intercambio gaseoso a nivel de los tejidos); por el contrario, todo lo que sucede con estos gases al interior de nuestras células, se cataloga como respiración interna o respiración celular.
El oxígeno que llega a los tejidos, procedente de la sangre, participa en la respiración interna o celular, proceso extremadamente complejo.
Este proceso se efectúa en tres partes:
a) Formación de Acetil-coenzima A (Acelti CoA), a partir de ácido pirúvico (degradación de la glucosa), ácidos grasos (degradación de las grasas), y aminoácidos (degradación de las proteínas). en la conversión de piruvato a Acetil CoA se forman CO2 y algunos cuantos átomos de hidrógeno, que en lo sucesivo serán transportados por el NAD (Nicotina-amida adenina dinucleótido) o el FAD (Flavina-adenina dinucleótido).
b) Degradación de los grupos acetilo del Acetil CoA, en el ciclo de Krebs. En este proceso se forman 2 moléculas de ATP, 2 moléculas de CO2 y otros cuantos pares de átomos de hidrógeno.
c) Transporte de electrones hasta el oxígeno molecular, último aceptor de electrones. En este punto se presenta la denominada fosforilación oxidativa, que consiste en ionizar los átomos de hidrógeno que se han retirado paulatinamente de los sustratos alimenticios.
Los átomos de hidrógeno se ionizan formando protones (H+) y electrones (e-). Los electrones ricos en energía entran a la cadena de transporte de electrones con ayuda de los citocromos (proteínas férricas que se encuentran en las mitocondrias).
Los citocromos toman un par de electrones de los hidrógenos transportados por el NADH, y los donan al oxígeno molecular. Precisamente el último citocromo, denominado A3 o citocromooxidasa, es el encargado de transportar los electrones hacia el oxígeno, último aceptor de éstos, para formar agua y CO2.
Hay que recordar que el proceso de la fosforilación oxidativa sintetiza en las mitocondrias el 95% de las moléculas de ATP, cuando la materia prima es la glucosa y el 100% de estas moléculas, cuando el material energético son las grasas.
En resumen, se puede concluir que los procesos energéticos de nuestras células son procesos de oxido-reducción, entendiéndose por oxidación, todos los procesos que impliquen pérdida de electrones de un átomo o molécula, y por reducción todos los procesos energéticos que impliquen ganancia de electrones.
Se trata de una remoción de hidrógenos a partir de las moléculas alimenticias, que deben ser transportadas por un complejo sistema de transportadores (NAD, FAD).
Posteriormente los átomos de hidrógeno se someten aun proceso de ionización, cuyos electrones deben seguir siendo transportados por un sistema especial de transportadores, denominados citocromos, hasta encontrarse con el último aceptor de dichos electrones: el oxígeno molecular.
El resultado es la formación de agua, gas carbónico y una gran cantidad de energía, a utilizarse en el proceso de resíntesis de las moléculas de ATP.