Intercambio de gases por medio de la respiración. Transporte de oxígeno y de dióxido de carbono. Intercambio de gas anormal. Interacción entre la respiración, la circulación y el metabolismo. Los gases respiratorios -oxígeno y dióxido de carbono- se mueven entre el aire y la sangre a través de las superficies de intercambio respiratorio en los pulmones. La estructura del pulmón humano proporciona una inmensa superficie interna que facilita el intercambio gaseoso entre los alvéolos y la sangre en los capilares pulmonares. El área de la superficie alveolar en el adulto humano es de aproximadamente 50 a 100 metros cuadrados.
El intercambio gaseoso a través de la barrera membranosa entre los alvéolos y los capilares se ve reforzado por la naturaleza delgada de la membrana, de aproximadamente 0,5 μm, o 1/100 del diámetro de un cabello humano.
Los gases respiratorios se mueven entre el medio ambiente y los tejidos respirantes por dos mecanismos principales, la convección y la difusión. La convección, o flujo masivo, es responsable del movimiento del aire desde el ambiente hacia los pulmones y del movimiento de la sangre entre los pulmones y los tejidos. Los gases respiratorios también se mueven por difusión a través de barreras tisulares tales como las membranas. La difusión es el modo primario de transporte de gases entre el aire y la sangre en los pulmones y entre la sangre y los tejidos que respiran en el cuerpo.
El proceso de difusión es impulsado por la diferencia en las presiones parciales de un gas entre dos locales. En una mezcla de gases, la presión parcial de cada gas es directamente proporcional a su concentración. La presión parcial de un gas en el fluido es una medida de su tendencia a dejar el fluido cuando se expone a un gas o fluido que no contiene ese gas.
Un gas se difundirá desde un área de mayor presión parcial hasta un área de menor presión parcial independientemente de la distribución de las presiones parciales de otros gases. Hay grandes cambios en las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono a medida que estos gases se mueven entre el aire y los tejidos que respiran. La presión parcial de dióxido de carbono en esta vía es inferior a la presión parcial de oxígeno, debido a los diferentes modos de transporte en la sangre, pero cantidades casi iguales de los dos gases están involucrados en el metabolismo y el intercambio de gases.
El oxígeno y el dióxido de carbono son transportados entre las células de los tejidos y los pulmones por la sangre. La cantidad transportada se determina tanto por la rapidez con que circula la sangre como por las concentraciones de gases en la sangre. La rapidez de la circulación está determinada por la salida del corazón, que a su vez responde a las necesidades globales del cuerpo. Los flujos locales pueden aumentarse selectivamente, como ocurre, por ejemplo, en el flujo a través de los músculos esqueléticos durante el ejercicio. El desempeño del corazón y la regulación circulatoria son, por lo tanto, determinantes importantes del transporte de gases.
El oxígeno y el dióxido de carbono son demasiado poco solubles en la sangre para ser adecuadamente transportados en solución. Los sistemas especializados para cada gas han evolucionado para aumentar las cantidades de esos gases que pueden ser transportados en la sangre. Estos sistemas están presentes principalmente en los glóbulos rojos, que constituyen el 40 a 50 por ciento del volumen sanguíneo en la mayoría de los mamíferos. El plasma, la porción líquida libre de células de la sangre, desempeña poco papel en el intercambio de oxígeno, pero es esencial para el intercambio de dióxido de carbono.
El oxígeno es poco soluble en plasma, por lo que menos del 2 por ciento de oxígeno se transporta disuelto en el plasma. La gran mayoría del oxígeno está ligado a la hemoglobina, una proteína contenida en los glóbulos rojos. La hemoglobina se compone de cuatro estructuras de anillo que contienen hierro (hemes) unidas químicamente a una proteína grande (globina). Cada átomo de hierro puede unirse y luego liberar una molécula de oxígeno. La hemoglobina está presente en la sangre humana normal para permitir el transporte de aproximadamente 0,2 mililitros de oxígeno por mililitro de sangre.
La cantidad de oxígeno unido a la hemoglobina depende de la presión parcial de oxígeno en el pulmón a la que se expone la sangre. La curva que representa el contenido de oxígeno en la sangre a varias presiones parciales de oxígeno, llamada curva de disociación de oxígeno, tiene una forma característica de "S" porque la unión de oxígeno a un átomo de hierro influye en la capacidad del oxígeno para unirse a otros sitios de hierro. En los alvéolos a nivel del mar, la presión parcial de oxígeno es suficiente para unir oxígeno a esencialmente todos los sitios de hierro disponibles en la molécula de hemoglobina.
No todo el oxígeno transportado en la sangre se transfiere a las células de los distintos tejidos del cuerpo. La cantidad de oxígeno extraído por las células depende de su tasa de gasto energético. En reposo, la sangre venosa que regresa a los pulmones contiene todavía del 70 al 75 por ciento del oxígeno presente en la sangre arterial; Esta reserva está disponible para satisfacer las mayores demandas de oxígeno. Durante el ejercicio extremo la cantidad de oxígeno que queda en la sangre venosa disminuye a 10 a 25 por ciento. En la parte más escarpada de la curva de disociación de oxígeno (la porción entre 10 y 40 milímetros de presión parcial de mercurio), una disminución relativamente pequeña de la presión parcial de oxígeno en la sangre se asocia con una liberación relativamente grande de oxígeno unido.
La hemoglobina se une no sólo al oxígeno sino a otras sustancias como los iones de hidrógeno (que determinan la acidez o el pH de la sangre), dióxido de carbono y 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), una sal en los glóbulos rojos que desempeña un papel en la liberación de oxígeno de la hemoglobina en la circulación periférica. Estas sustancias no se unen a la hemoglobina en los sitios de unión al oxígeno. Sin embargo, con la unión del oxígeno, ocurren cambios en la estructura de la molécula de hemoglobina que afectan su capacidad para unirse a otros gases o sustancias. Por el contrario, la unión de estas sustancias a la hemoglobina afecta la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. (La afinidad indica la tendencia de las moléculas de diferentes especies a unirse entre sí).
Los aumentos en los iones de hidrógeno, dióxido de carbono o 2,3-DPG disminuyen la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y la curva de disociación de oxígeno se desplaza hacia la derecha. Debido a esta afinidad disminuida, se requiere una presión parcial aumentada de oxígeno para unir una cantidad dada de oxígeno a la hemoglobina. Un cambio hacia la derecha de la curva se cree que es beneficioso en la liberación de oxígeno a los tejidos cuando las necesidades son grandes en relación con la entrega de oxígeno, como ocurre con la anemia o el ejercicio extremo. Las reducciones en las concentraciones normales de iones de hidrógeno, dióxido de carbono y 2,3-DPG dan lugar a una mayor afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, y la curva se desplaza hacia la izquierda. Este desplazamiento aumenta la unión del oxígeno a la hemoglobina a cualquier presión parcial dada de oxígeno y se cree que es beneficioso si la disponibilidad de oxígeno se reduce, como ocurre a una altitud extrema.
Los cambios de temperatura afectan la curva de oxígeno-disociación de forma similar. Un aumento en la temperatura desplaza la curva hacia la derecha (disminución de la afinidad, liberación mejorada de oxígeno); Una disminución de la temperatura desplaza la curva hacia la izquierda (mayor afinidad). El rango de temperatura corporal que se encuentra normalmente en los seres humanos es relativamente estrecho, de modo que los cambios asociados a la temperatura en la afinidad del oxígeno tienen poca importancia fisiológica.
El transporte de dióxido de carbono en la sangre es considerablemente más complejo. Una pequeña porción de dióxido de carbono, alrededor del 5 por ciento, permanece sin cambios y se transporta disuelto en sangre. El resto se encuentra en combinaciones químicas reversibles en los glóbulos rojos o el plasma sanguíneo. Algo de dióxido de carbono se une a las proteínas de la sangre, principalmente la hemoglobina, para formar un compuesto conocido como carbamato. Alrededor del 88 por ciento del dióxido de carbono en la sangre está en forma de ion bicarbonato. La distribución de estas especies químicas entre el interior de los glóbulos rojos y el plasma circundante varía mucho, con los glóbulos rojos que contienen considerablemente menos bicarbonato y más carbamato que el plasma.
Menos del 10 por ciento de la cantidad total de dióxido de carbono transportado en la sangre se elimina durante el paso a través de los pulmones. La eliminación completa conduciría a grandes cambios en la acidez entre sangre arterial y venosa. Además, la sangre permanece normalmente en los capilares pulmonares menos de un segundo, un tiempo insuficiente para eliminar todo el dióxido de carbono.
El dióxido de carbono entra en la sangre en los tejidos debido a que su presión parcial local es mayor que su presión parcial en la sangre que fluye a través de los tejidos. A medida que el dióxido de carbono entra en la sangre, se combina con el agua para formar ácido carbónico (H2CO3), un ácido relativamente débil, que se disocia en iones hidrógeno (H +) e iones bicarbonato (HCO3-). La acidez de la sangre es mínimamente afectada por los iones de hidrógeno liberados porque las proteínas de la sangre, especialmente la hemoglobina, son agentes tamponantes eficaces. (Una solución tampón resiste el cambio de acidez combinándola con iones de hidrógeno añadidos y, esencialmente, inactivándolos.)
La conversión natural del dióxido de carbono en ácido carbónico es un proceso relativamente lento; Sin embargo, la anhidrasa carbónica, una enzima proteínica presente en el interior de los glóbulos rojos, cataliza esta reacción con suficiente rapidez que se logra en sólo una fracción de segundo. Debido a que la enzima está presente sólo dentro de los glóbulos rojos, el bicarbonato se acumula en un grado mucho mayor dentro de los glóbulos rojos que en el plasma. La capacidad de la sangre para transportar dióxido de carbono como bicarbonato se ve reforzada por un sistema de transporte de iones dentro de la membrana de los glóbulos rojos que simultáneamente mueve un ion bicarbonato fuera de la célula y hacia el plasma a cambio de un ion cloruro.
El intercambio simultáneo de estos dos iones, conocido como cambio de cloruro, permite que el plasma se utilice como un sitio de almacenamiento de bicarbonato sin cambiar la carga eléctrica del plasma o de los glóbulos rojos. Sólo el 26 por ciento del contenido total de dióxido de carbono de la sangre existe como bicarbonato dentro de los glóbulos rojos, mientras que el 62 por ciento existe como bicarbonato en el plasma; Sin embargo, la mayor parte de iones de bicarbonato se produce primero dentro de la célula, luego se transporta al plasma. Una secuencia inversa de reacciones ocurre cuando la sangre alcanza el pulmón, donde la presión parcial del dióxido de carbono es más baja que en la sangre.
La hemoglobina actúa de otra manera para facilitar el transporte de dióxido de carbono. Los grupos amino de la molécula de hemoglobina reaccionan reversiblemente con dióxido de carbono en solución para dar carbamatos. Algunos sitios amino en la hemoglobina son oxilabiles, es decir, su capacidad para unirse al dióxido de carbono depende del estado de oxigenación de la molécula de hemoglobina. El cambio en la configuración molecular de la hemoglobina que acompaña a la liberación de oxígeno conduce a un aumento de la unión del dióxido de carbono a los grupos amino oxilables. Por lo tanto, la liberación de oxígeno en los tejidos corporales mejora la unión del dióxido de carbono como carbamato. La oxigenación de la hemoglobina en los pulmones tiene el efecto inverso y conduce a la eliminación de dióxido de carbono.
Sólo el 5 por ciento del dióxido de carbono en la sangre es transportado libremente en solución física sin cambio químico o unión, sin embargo esta "piscina" es importante, porque sólo el dióxido de carbono libre atraviesa fácilmente las membranas biológicas. Prácticamente todas las moléculas de dióxido de carbono producidas por el metabolismo deben existir en la forma libre, ya que entra sangre en los tejidos y deja capilares en el pulmón. Entre estos dos eventos, la mayor parte del dióxido de carbono se transporta como bicarbonato o carbamato.
La introducción de aire en los alvéolos permite la eliminación de dióxido de carbono y la adición de oxígeno a la sangre venosa. Debido a que la ventilación es un fenómeno cíclico que se produce a través de un sistema de conducción de las vías respiratorias, no todo el aire inspirado participa en el intercambio de gases. Una parte del aliento inspirado permanece en las vías respiratorias conductoras y no llega a los alvéolos donde se produce el intercambio gaseoso. Esta porción es aproximadamente un tercio de cada respiración en reposo pero disminuye a tan sólo 10 por ciento durante el ejercicio, debido al aumento en el tamaño de respiraciones inspiradas.
En contraste con la naturaleza cíclica de la ventilación, el flujo sanguíneo a través del pulmón es continuo, y casi toda la sangre que entra en los pulmones participa en el intercambio gaseoso. La eficiencia del intercambio gaseoso depende en gran medida de la distribución uniforme del flujo sanguíneo y del aire inspirado a través de los pulmones. En salud, la ventilación y el flujo sanguíneo están muy bien adaptados en cada unidad de intercambio a través de los pulmones. Las partes inferiores del pulmón reciben un poco más de flujo sanguíneo que la ventilación porque la gravedad tiene un mayor efecto en la distribución de la sangre que en la distribución del aire inspirado.
En circunstancias ideales, las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en el gas alveolar y en la sangre arterial son idénticas. Normalmente hay una pequeña diferencia entre las tensiones de oxígeno en el gas alveolar y la sangre arterial debido al efecto de la gravedad sobre la correspondencia y la adición de una pequeña cantidad de drenaje venoso al torrente sanguíneo después de que ha dejado los pulmones. Estos eventos no tienen efecto mensurable sobre las presiones parciales de dióxido de carbono porque la diferencia entre sangre arterial y venosa es muy pequeña.
La enfermedad pulmonar puede conducir a anomalías graves en la composición de los gases sanguíneos. Debido a las diferencias en el transporte de oxígeno y dióxido de carbono, el intercambio de oxígeno alterado o anormal es mucho más común que el intercambio de dióxido de carbono alterado o anormal. Los mecanismos de intercambio anormal de gases se agrupan en cuatro categorías: hipoventilación, derivación, ventilación, desequilibrio del flujo sanguíneo y limitaciones de la difusión.
Si la cantidad de aire inspirado que entra en los pulmones es menor que la necesaria para mantener el intercambio normal, se presenta una condición conocida como hipoventilación, en donde la presión parcial alveolar del dióxido de carbono aumenta y la presión parcial del oxígeno cae casi recíprocamente. Cambios similares ocurren en presiones parciales de sangre arterial porque la composición del gas alveolar determina las presiones parciales de gas en la sangre que perfunden los pulmones. Esta anomalía conduce a cambios paralelos tanto en el gas como en la sangre y es la única anormalidad en el intercambio gaseoso que no causa un aumento en la diferencia normalmente pequeña entre las presiones parciales arteriales y alveolares de oxígeno.
En la derivación, la sangre venosa entra en el torrente sanguíneo sin pasar por el tejido pulmonar funcional. La derivación de sangre puede resultar de comunicaciones vasculares (vasos sanguíneos) anormales o de sangre que fluye a través de porciones no ventiladas del pulmón (por ejemplo, alvéolos llenos de fluido o material inflamatorio). Se observa una reducción en la oxigenación de la sangre arterial con la derivación, pero el nivel de dióxido de carbono en la sangre arterial no es elevado a pesar de que la sangre derivada contiene más dióxido de carbono que la sangre arterial.
Los diferentes efectos de la derivación en las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono son el resultado de las diferentes configuraciones de las curvas de disociación de sangre de los dos gases. Como se ha indicado anteriormente, la curva de disociación de oxígeno tiene forma de S y se encuentra cerca de la presión parcial de oxígeno alveolar normal, pero la curva de disociación de dióxido de carbono es más pronunciada y no se estabiliza a medida que aumenta la presión parcial de dióxido de carbono.
Cuando el área de pulmón colapsada y sin ventilación sale del pulmón sin intercambio de oxígeno o dióxido de carbono, el contenido de dióxido de carbono es mayor que el contenido normal de dióxido de carbono. La parte sana restante del pulmón recibe tanto su ventilación habitual como la ventilación que normalmente se dirigiría al pulmón anormal. Esto disminuye la presión parcial de dióxido de carbono en los alvéolos del área normal del pulmón. Como resultado, la sangre que sale de la parte sana del pulmón tiene un contenido de dióxido de carbono inferior al normal. El menor contenido de dióxido de carbono en esta sangre contrarresta la adición de sangre con un mayor contenido de dióxido de carbono del área anormal, y el contenido de dióxido de carbono en la sangre arterial compuesta sigue siendo normal.
Este mecanismo compensatorio es menos eficiente que el intercambio normal de dióxido de carbono y requiere un modesto aumento de la ventilación general, que generalmente se logra sin dificultad. Debido a que la curva de disociación de dióxido de carbono es empinada y relativamente lineal, la compensación por la disminución del intercambio de dióxido de carbono en una porción del pulmón puede compensarse con el aumento de la excreción de dióxido de carbono en otra área del pulmón.
En contraste, la derivación de la sangre venosa tiene un efecto sustancial sobre el contenido de oxígeno en la sangre arterial y la presión parcial. La sangre que sale de una zona no ventilada del pulmón tiene un contenido de oxígeno que es menor que el contenido normal (indicado por el cuadrado). En el área sana del pulmón, el aumento de la ventilación por encima de la normal aumenta la presión parcial de oxígeno en el gas alveolar y, por lo tanto, en la sangre arterial. La curva de disociación de oxígeno, sin embargo, alcanza una meseta a la presión parcial alveolar normal, y un aumento en la presión parcial de la sangre da lugar a un aumento insignificante en contenido de oxígeno.
La mezcla de sangre de esta porción sana del pulmón (con contenido de oxígeno normal) y sangre del área anormal del pulmón (con contenido de oxígeno disminuido) produce un contenido de oxígeno arterial compuesto que es menor que el nivel normal. Por lo tanto, un área de pulmón sano no puede contrarrestar el efecto de una porción anormal del pulmón sobre la oxigenación de la sangre debido a que la curva de disociación de oxígeno alcanza una meseta a una presión parcial alveolar normal de oxígeno. Este efecto sobre la oxigenación de la sangre se observa no sólo en la derivación, sino en cualquier anomalía que resulta en una reducción localizada en el contenido de oxígeno en la sangre.
El no coincidir con la ventilación y el flujo sanguíneo es con mucho la causa más común de una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre. Hay cambios mínimos en el contenido de dióxido de carbono en la sangre, a menos que el grado de desajuste sea extremadamente severo. El aire inspirado y el flujo sanguíneo normalmente se distribuyen uniformemente, y cada alvéolo recibe cantidades aproximadamente iguales de ambos. Como la coincidencia de aire inspirado y el flujo sanguíneo se desvía de la relación normal de 1 a 1, los alvéolos se vuelven sobreventilados o subventilados en relación con su flujo sanguíneo. En los alvéolos que se sobreventilan, la cantidad de dióxido de carbono eliminado se incrementa, lo que contrarresta el hecho de que hay menos dióxido de carbono eliminado en los alvéolos que son relativamente subventilados.
Sin embargo, los alvéolos sobreventilados no pueden compensar en términos de mayor oxigenación para los alvéolos subventilados porque, como se muestra en la curva de disociación de oxígeno, se alcanza una meseta a la presión parcial alveolar del oxígeno y el aumento de la ventilación no aumentará el contenido de oxígeno en la sangre. En los pulmones sanos hay una distribución estrecha de la relación de la ventilación al flujo sanguíneo a través del pulmón que se centra alrededor de una proporción de 1 a 1. En la enfermedad, esta distribución puede ampliarse sustancialmente para que los alvéolos individuales puedan tener proporciones que se desvíen marcadamente de la Ratio de 1 a 1.
Cualquier desviación de la agrupación habitual alrededor de la relación de 1 a 1 conduce a la disminución de la oxigenación de la sangre (cuanto más dispar es la desviación, mayor es la reducción de la oxigenación de la sangre). Por otra parte, el intercambio de dióxido de carbono no se ve afectado por una relación anormal de ventilación y flujo sanguíneo, siempre y cuando se pueda lograr el aumento de ventilación necesario para mantener la excreción de dióxido de carbono en los alvéolos sobreventilados.
Una cuarta categoría de intercambio gástrico anormal implica la limitación de la difusión de gases a través de la delgada membrana que separa los alvéolos de los capilares pulmonares. Una variedad de procesos pueden interferir con este intercambio ordenado; Para el oxígeno, estos incluyen aumento del espesor de la membrana alveolar-capilar, pérdida de área superficial disponible para la difusión de oxígeno, reducción de la presión parcial alveolar de oxígeno requerida para la difusión y disminución del tiempo disponible para el intercambio debido al aumento de la velocidad del flujo. Estos factores suelen agruparse bajo la amplia descripción de "limitación de la difusión", y cualquiera puede causar la transferencia incompleta de oxígeno con una reducción resultante en el contenido de oxígeno en la sangre.
No hay limitación de la difusión del intercambio de dióxido de carbono porque este gas es más soluble que el oxígeno en la membrana alveolar-capilar, lo que facilita el intercambio de dióxido de carbono. Las reacciones complejas que intervienen en el transporte de dióxido de carbono se realizan con suficiente rapidez para evitar ser un factor limitante significativo a cambio.
La interacción de la respiración, la circulación y el metabolismo es la clave para el funcionamiento del sistema respiratorio en su conjunto. Las células establecen la demanda de absorción de oxígeno y descarga de dióxido de carbono, es decir, para el intercambio de gases en los pulmones. La circulación de la sangre enlaza los sitios de utilización y absorción de oxígeno. El buen funcionamiento del sistema respiratorio depende tanto de la capacidad del sistema para realizar ajustes funcionales a necesidades variables como de las características de diseño de la secuencia de estructuras implicadas, que establecen el límite para la respiración.
El propósito principal de la respiración es proporcionar oxígeno a las células a una velocidad adecuada para satisfacer sus necesidades metabólicas. Esto implica el transporte del oxígeno del pulmón a los tejidos por medio de la circulación de la sangre. En la antigüedad y en la época medieval, el corazón era considerado como un horno donde el "fuego de la vida" mantenía la sangre hirviendo. La biología celular moderna ha revelado la verdad detrás de la metáfora. Cada célula mantiene un conjunto de hornos, las mitocondrias, donde, a través de la oxidación de productos alimenticios como la glucosa, se suministran las necesidades energéticas de las células. El objeto preciso de la respiración es el suministro de oxígeno a la mitocondria.
El metabolismo celular depende de la energía derivada de los fosfatos de alta energía como el trifosfato de adenosina (ATP), cuyo tercer enlace fosfato puede liberar una cantidad de energía para alimentar muchos procesos celulares, como la contracción de las proteínas de la fibra muscular o la síntesis de moléculas de proteínas. En el proceso, el ATP se degrada a adenosina difosfato (ADP), una molécula con sólo dos enlaces fosfato. Para recargar la molécula mediante la adición del tercer grupo de fosfato se requiere energía derivada de la descomposición de los productos alimenticios, o sustratos. Existen dos vías: (1) glicolisis anaeróbica, o fermentación, que funciona en ausencia de oxígeno; Y (2) el metabolismo aeróbico, que requiere oxígeno e involucra a las mitocondrias.
La vía anaeróbica conduce a desechos ácidos y es un derroche de recursos: La descomposición de una molécula de glucosa genera sólo dos moléculas de ATP. En contraste, el metabolismo aeróbico tiene un mayor rendimiento (36 moléculas de ATP por molécula de glucosa) y produce "desechos limpios" -agua y dióxido de carbono, que son fácilmente eliminados del cuerpo y son reciclados por las plantas en el proceso de fotosíntesis. Para cualquier actividad celular de alto nivel sostenida, por lo tanto, es preferible la vía metabólica aeróbica. Dado que la fosforilación oxidativa sólo se produce en las mitocondrias, y dado que cada célula debe producir su propio ATP (no se puede importar), el número de mitocondrias en una célula refleja su capacidad para el metabolismo aeróbico, o su necesidad de oxígeno.
El suministro de oxígeno a las mitocondrias a una tasa adecuada es una función crítica del sistema respiratorio, porque las células sólo mantienen una reserva limitada de fosfatos de alta energía y de oxígeno, mientras que normalmente tienen un suministro razonable de sustratos en stock. Si el suministro de oxígeno se interrumpe durante unos minutos, muchas células, o incluso el organismo, morirán.
El oxígeno es recogido del aire ambiental, transferido a la sangre en los pulmones, y transportado por el flujo sanguíneo a la periferia de las células donde es descargado para alcanzar las mitocondrias por difusión. La transferencia de oxígeno a las mitocondrias implica varias estructuras y diferentes modos de transporte. Comienza con la ventilación pulmonar, que se logra por convección o flujo masivo de aire a través de un sistema ingeniosamente ramificado de vías respiratorias. En las vías respiratorias más periféricas, la ventilación de los alvéolos se completa mediante la difusión de oxígeno a través del aire a la superficie alveolar.
La transferencia de oxígeno desde el aire alveolar hacia la sangre capilar se produce por difusión a través de la barrera tisular; Es impulsado por la diferencia de presión parcial de oxígeno entre el aire alveolar y la sangre capilar y depende del espesor (aproximadamente 0,5 μm [1 μm = 0,000039 pulgadas]) y el área superficial (aproximadamente 130 metros cuadrados en seres humanos) de la barrera. El transporte convectivo por la sangre depende de la tasa de flujo sanguíneo (gasto cardíaco) y de la capacidad de oxígeno de la sangre, que se determina por su contenido de hemoglobina en los glóbulos rojos. El último paso es la descarga difusiva de oxígeno de los capilares hacia el tejido y las células, que es impulsada por la diferencia de presión parcial de oxígeno y depende de la cantidad de sangre capilar en el tejido.
En este proceso, la sangre juega un papel central y afecta a todas las etapas de transporte: absorción de oxígeno en el pulmón, transporte por flujo sanguíneo y descarga a las células. La sangre también sirve como vehículo para los gases respiratorios: el oxígeno, que está unido a la hemoglobina en los glóbulos rojos, y el dióxido de carbono, que es transportado por el plasma y los glóbulos rojos y que también sirve como un amortiguador para el equilibrio ácido-base en Sangre y tejidos.
El metabolismo, o, más exactamente, la tasa metabólica de las células, establece la demanda de oxígeno. En reposo un humano consume aproximadamente 250 ml (aproximadamente 15 pulgadas cúbicas) de oxígeno cada minuto. Con el ejercicio esta tasa se puede aumentar más de 10 veces en un individuo sano normal, pero un atleta altamente entrenado puede lograr un aumento de más de 20 veces. A medida que más y más células musculares se dedican a hacer el trabajo, la demanda de ATP y oxígeno aumenta linealmente con la tasa de trabajo. Esto se acompaña de un aumento del gasto cardíaco, esencialmente debido a una mayor frecuencia cardiaca, y por el aumento de la ventilación de los pulmones; Como consecuencia, aumenta la diferencia de presión parcial de oxígeno a través de la barrera aire-sangre y aumenta la transferencia de oxígeno por difusión.
Estos ajustes dinámicos a las necesidades de los músculos ocurren hasta un límite que es dos veces más alto en el atleta que en el individuo inexperto. Esta gama de metabolismo oxidativo posible del descanso al ejercicio máximo se llama el alcance aerobio o capacidad aeróbica. El límite superior al consumo de oxígeno no es conferido por la capacidad de los músculos para hacer el trabajo, sino más bien por la capacidad limitada del sistema respiratorio para proporcionar o utilizar oxígeno a una tasa más alta. El músculo puede hacer más trabajo, pero más allá del alcance aeróbico debe volver al metabolismo anaeróbico, con el resultado de que los productos de desecho, principalmente el ácido láctico, se acumulan y limitan la duración del trabajo.
Por lo tanto, el límite del metabolismo oxidativo está determinado por algunas características del sistema respiratorio, desde el pulmón hasta la mitocondria. Saber cuáles son los límites es importante para entender la respiración como un proceso vital clave, pero no es sencillo, debido a la complejidad del sistema. Se ha aprendido mucho de la fisiología y la morfología comparadas, basándose en las observaciones de que las tasas de consumo de oxígeno difieren significativamente entre las especies. Por ejemplo, las especies atléticas en la naturaleza, como los perros o los caballos, tienen un alcance aeróbico más del doble que el de otros animales del mismo tamaño; Esto se llama variación adaptativa. Luego, el consumo de oxígeno por unidad de masa corporal aumenta a medida que los animales se hacen más pequeños, de modo que un ratón consume seis veces más oxígeno por gramo de masa corporal que una vaca, una característica llamada variación alométrica. Además, el alcance aeróbico puede aumentarse mediante el adiestramiento en un individuo, pero esta variación inducida alcanza en el mejor de los casos una diferencia del 50 por ciento entre el estado no entrenado y el entrenado, muy por debajo de las diferencias entre especies.
Dentro del ámbito aeróbico los ajustes se deben a la variación funcional. Por ejemplo, el gasto cardíaco se incrementa aumentando la frecuencia cardíaca. Una evidencia creciente indica que el límite al metabolismo oxidativo está relacionado con las características de diseño estructural del sistema. La cantidad total de mitocondrias en el músculo esquelético es estrictamente proporcional al consumo máximo de oxígeno, en todos los tipos de variación. En el entrenamiento, las mitocondrias aumentan en proporción al alcance aeróbico aumentado. Las mitocondrias establecen la demanda de oxígeno, y parecen poder consumir hasta 5 ml (0,3 pulgadas cúbicas) de oxígeno por minuto y gramo de mitocondrias.
Si la energía (ATP) necesita ser producida a una tasa más alta, las células musculares hacen más mitocondrias. Por lo tanto, es posible que el consumo de oxígeno se limite en la periferia, en el último paso del metabolismo aeróbico. Pero también es posible que más partes centrales del sistema respiratorio establezcan el límite al transporte de oxígeno, principalmente el corazón, cuya capacidad de bombear sangre alcanza un límite, tanto en términos de velocidad como de tamaño de los ventrículos, lo que determina el Volumen de sangre que puede ser bombeado con cada latido.
La cuestión de la limitación periférica versus la centralizada aún está en debate. Parece, sin embargo, que el pulmón como órgano de intercambio de gas tiene suficiente redundancia que no limita el metabolismo aeróbico en el sitio de absorción de oxígeno. Pero, mientras que las mitocondrias, la sangre, los vasos sanguíneos y el corazón pueden aumentar en número, frecuencia o volumen para aumentar su capacidad cuando aumentan las necesidades de energía, como en el entrenamiento, el pulmón carece de esta capacidad de adaptación. Si esto resulta cierto, el pulmón puede constituir el límite máximo del sistema respiratorio, más allá del cual el metabolismo oxidativo no puede ser incrementado por el entrenamiento.
TEMAS COMPLEMENTARIOS:
Sistema respiratorio: partes, órganos y funciones del aparato respiratorio humano
Sistema respiratorio - Mecánica de la respiración.
Sistema respiratorio - Control de la respiración.
El intercambio gaseoso a través de la barrera membranosa entre los alvéolos y los capilares se ve reforzado por la naturaleza delgada de la membrana, de aproximadamente 0,5 μm, o 1/100 del diámetro de un cabello humano.
Los gases respiratorios se mueven entre el medio ambiente y los tejidos respirantes por dos mecanismos principales, la convección y la difusión. La convección, o flujo masivo, es responsable del movimiento del aire desde el ambiente hacia los pulmones y del movimiento de la sangre entre los pulmones y los tejidos. Los gases respiratorios también se mueven por difusión a través de barreras tisulares tales como las membranas. La difusión es el modo primario de transporte de gases entre el aire y la sangre en los pulmones y entre la sangre y los tejidos que respiran en el cuerpo.
El proceso de difusión es impulsado por la diferencia en las presiones parciales de un gas entre dos locales. En una mezcla de gases, la presión parcial de cada gas es directamente proporcional a su concentración. La presión parcial de un gas en el fluido es una medida de su tendencia a dejar el fluido cuando se expone a un gas o fluido que no contiene ese gas.
Un gas se difundirá desde un área de mayor presión parcial hasta un área de menor presión parcial independientemente de la distribución de las presiones parciales de otros gases. Hay grandes cambios en las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono a medida que estos gases se mueven entre el aire y los tejidos que respiran. La presión parcial de dióxido de carbono en esta vía es inferior a la presión parcial de oxígeno, debido a los diferentes modos de transporte en la sangre, pero cantidades casi iguales de los dos gases están involucrados en el metabolismo y el intercambio de gases.
El oxígeno y el dióxido de carbono son transportados entre las células de los tejidos y los pulmones por la sangre. La cantidad transportada se determina tanto por la rapidez con que circula la sangre como por las concentraciones de gases en la sangre. La rapidez de la circulación está determinada por la salida del corazón, que a su vez responde a las necesidades globales del cuerpo. Los flujos locales pueden aumentarse selectivamente, como ocurre, por ejemplo, en el flujo a través de los músculos esqueléticos durante el ejercicio. El desempeño del corazón y la regulación circulatoria son, por lo tanto, determinantes importantes del transporte de gases.
El oxígeno y el dióxido de carbono son demasiado poco solubles en la sangre para ser adecuadamente transportados en solución. Los sistemas especializados para cada gas han evolucionado para aumentar las cantidades de esos gases que pueden ser transportados en la sangre. Estos sistemas están presentes principalmente en los glóbulos rojos, que constituyen el 40 a 50 por ciento del volumen sanguíneo en la mayoría de los mamíferos. El plasma, la porción líquida libre de células de la sangre, desempeña poco papel en el intercambio de oxígeno, pero es esencial para el intercambio de dióxido de carbono.
Transporte de oxígeno
El oxígeno es poco soluble en plasma, por lo que menos del 2 por ciento de oxígeno se transporta disuelto en el plasma. La gran mayoría del oxígeno está ligado a la hemoglobina, una proteína contenida en los glóbulos rojos. La hemoglobina se compone de cuatro estructuras de anillo que contienen hierro (hemes) unidas químicamente a una proteína grande (globina). Cada átomo de hierro puede unirse y luego liberar una molécula de oxígeno. La hemoglobina está presente en la sangre humana normal para permitir el transporte de aproximadamente 0,2 mililitros de oxígeno por mililitro de sangre.
La cantidad de oxígeno unido a la hemoglobina depende de la presión parcial de oxígeno en el pulmón a la que se expone la sangre. La curva que representa el contenido de oxígeno en la sangre a varias presiones parciales de oxígeno, llamada curva de disociación de oxígeno, tiene una forma característica de "S" porque la unión de oxígeno a un átomo de hierro influye en la capacidad del oxígeno para unirse a otros sitios de hierro. En los alvéolos a nivel del mar, la presión parcial de oxígeno es suficiente para unir oxígeno a esencialmente todos los sitios de hierro disponibles en la molécula de hemoglobina.
No todo el oxígeno transportado en la sangre se transfiere a las células de los distintos tejidos del cuerpo. La cantidad de oxígeno extraído por las células depende de su tasa de gasto energético. En reposo, la sangre venosa que regresa a los pulmones contiene todavía del 70 al 75 por ciento del oxígeno presente en la sangre arterial; Esta reserva está disponible para satisfacer las mayores demandas de oxígeno. Durante el ejercicio extremo la cantidad de oxígeno que queda en la sangre venosa disminuye a 10 a 25 por ciento. En la parte más escarpada de la curva de disociación de oxígeno (la porción entre 10 y 40 milímetros de presión parcial de mercurio), una disminución relativamente pequeña de la presión parcial de oxígeno en la sangre se asocia con una liberación relativamente grande de oxígeno unido.
La hemoglobina se une no sólo al oxígeno sino a otras sustancias como los iones de hidrógeno (que determinan la acidez o el pH de la sangre), dióxido de carbono y 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG), una sal en los glóbulos rojos que desempeña un papel en la liberación de oxígeno de la hemoglobina en la circulación periférica. Estas sustancias no se unen a la hemoglobina en los sitios de unión al oxígeno. Sin embargo, con la unión del oxígeno, ocurren cambios en la estructura de la molécula de hemoglobina que afectan su capacidad para unirse a otros gases o sustancias. Por el contrario, la unión de estas sustancias a la hemoglobina afecta la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. (La afinidad indica la tendencia de las moléculas de diferentes especies a unirse entre sí).
Los aumentos en los iones de hidrógeno, dióxido de carbono o 2,3-DPG disminuyen la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y la curva de disociación de oxígeno se desplaza hacia la derecha. Debido a esta afinidad disminuida, se requiere una presión parcial aumentada de oxígeno para unir una cantidad dada de oxígeno a la hemoglobina. Un cambio hacia la derecha de la curva se cree que es beneficioso en la liberación de oxígeno a los tejidos cuando las necesidades son grandes en relación con la entrega de oxígeno, como ocurre con la anemia o el ejercicio extremo. Las reducciones en las concentraciones normales de iones de hidrógeno, dióxido de carbono y 2,3-DPG dan lugar a una mayor afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, y la curva se desplaza hacia la izquierda. Este desplazamiento aumenta la unión del oxígeno a la hemoglobina a cualquier presión parcial dada de oxígeno y se cree que es beneficioso si la disponibilidad de oxígeno se reduce, como ocurre a una altitud extrema.
Los cambios de temperatura afectan la curva de oxígeno-disociación de forma similar. Un aumento en la temperatura desplaza la curva hacia la derecha (disminución de la afinidad, liberación mejorada de oxígeno); Una disminución de la temperatura desplaza la curva hacia la izquierda (mayor afinidad). El rango de temperatura corporal que se encuentra normalmente en los seres humanos es relativamente estrecho, de modo que los cambios asociados a la temperatura en la afinidad del oxígeno tienen poca importancia fisiológica.
Transporte de dióxido de carbono
El transporte de dióxido de carbono en la sangre es considerablemente más complejo. Una pequeña porción de dióxido de carbono, alrededor del 5 por ciento, permanece sin cambios y se transporta disuelto en sangre. El resto se encuentra en combinaciones químicas reversibles en los glóbulos rojos o el plasma sanguíneo. Algo de dióxido de carbono se une a las proteínas de la sangre, principalmente la hemoglobina, para formar un compuesto conocido como carbamato. Alrededor del 88 por ciento del dióxido de carbono en la sangre está en forma de ion bicarbonato. La distribución de estas especies químicas entre el interior de los glóbulos rojos y el plasma circundante varía mucho, con los glóbulos rojos que contienen considerablemente menos bicarbonato y más carbamato que el plasma.
Menos del 10 por ciento de la cantidad total de dióxido de carbono transportado en la sangre se elimina durante el paso a través de los pulmones. La eliminación completa conduciría a grandes cambios en la acidez entre sangre arterial y venosa. Además, la sangre permanece normalmente en los capilares pulmonares menos de un segundo, un tiempo insuficiente para eliminar todo el dióxido de carbono.
El dióxido de carbono entra en la sangre en los tejidos debido a que su presión parcial local es mayor que su presión parcial en la sangre que fluye a través de los tejidos. A medida que el dióxido de carbono entra en la sangre, se combina con el agua para formar ácido carbónico (H2CO3), un ácido relativamente débil, que se disocia en iones hidrógeno (H +) e iones bicarbonato (HCO3-). La acidez de la sangre es mínimamente afectada por los iones de hidrógeno liberados porque las proteínas de la sangre, especialmente la hemoglobina, son agentes tamponantes eficaces. (Una solución tampón resiste el cambio de acidez combinándola con iones de hidrógeno añadidos y, esencialmente, inactivándolos.)
La conversión natural del dióxido de carbono en ácido carbónico es un proceso relativamente lento; Sin embargo, la anhidrasa carbónica, una enzima proteínica presente en el interior de los glóbulos rojos, cataliza esta reacción con suficiente rapidez que se logra en sólo una fracción de segundo. Debido a que la enzima está presente sólo dentro de los glóbulos rojos, el bicarbonato se acumula en un grado mucho mayor dentro de los glóbulos rojos que en el plasma. La capacidad de la sangre para transportar dióxido de carbono como bicarbonato se ve reforzada por un sistema de transporte de iones dentro de la membrana de los glóbulos rojos que simultáneamente mueve un ion bicarbonato fuera de la célula y hacia el plasma a cambio de un ion cloruro.
El intercambio simultáneo de estos dos iones, conocido como cambio de cloruro, permite que el plasma se utilice como un sitio de almacenamiento de bicarbonato sin cambiar la carga eléctrica del plasma o de los glóbulos rojos. Sólo el 26 por ciento del contenido total de dióxido de carbono de la sangre existe como bicarbonato dentro de los glóbulos rojos, mientras que el 62 por ciento existe como bicarbonato en el plasma; Sin embargo, la mayor parte de iones de bicarbonato se produce primero dentro de la célula, luego se transporta al plasma. Una secuencia inversa de reacciones ocurre cuando la sangre alcanza el pulmón, donde la presión parcial del dióxido de carbono es más baja que en la sangre.
La hemoglobina actúa de otra manera para facilitar el transporte de dióxido de carbono. Los grupos amino de la molécula de hemoglobina reaccionan reversiblemente con dióxido de carbono en solución para dar carbamatos. Algunos sitios amino en la hemoglobina son oxilabiles, es decir, su capacidad para unirse al dióxido de carbono depende del estado de oxigenación de la molécula de hemoglobina. El cambio en la configuración molecular de la hemoglobina que acompaña a la liberación de oxígeno conduce a un aumento de la unión del dióxido de carbono a los grupos amino oxilables. Por lo tanto, la liberación de oxígeno en los tejidos corporales mejora la unión del dióxido de carbono como carbamato. La oxigenación de la hemoglobina en los pulmones tiene el efecto inverso y conduce a la eliminación de dióxido de carbono.
Sólo el 5 por ciento del dióxido de carbono en la sangre es transportado libremente en solución física sin cambio químico o unión, sin embargo esta "piscina" es importante, porque sólo el dióxido de carbono libre atraviesa fácilmente las membranas biológicas. Prácticamente todas las moléculas de dióxido de carbono producidas por el metabolismo deben existir en la forma libre, ya que entra sangre en los tejidos y deja capilares en el pulmón. Entre estos dos eventos, la mayor parte del dióxido de carbono se transporta como bicarbonato o carbamato.
Intercambio de gas en el pulmón
La introducción de aire en los alvéolos permite la eliminación de dióxido de carbono y la adición de oxígeno a la sangre venosa. Debido a que la ventilación es un fenómeno cíclico que se produce a través de un sistema de conducción de las vías respiratorias, no todo el aire inspirado participa en el intercambio de gases. Una parte del aliento inspirado permanece en las vías respiratorias conductoras y no llega a los alvéolos donde se produce el intercambio gaseoso. Esta porción es aproximadamente un tercio de cada respiración en reposo pero disminuye a tan sólo 10 por ciento durante el ejercicio, debido al aumento en el tamaño de respiraciones inspiradas.
En contraste con la naturaleza cíclica de la ventilación, el flujo sanguíneo a través del pulmón es continuo, y casi toda la sangre que entra en los pulmones participa en el intercambio gaseoso. La eficiencia del intercambio gaseoso depende en gran medida de la distribución uniforme del flujo sanguíneo y del aire inspirado a través de los pulmones. En salud, la ventilación y el flujo sanguíneo están muy bien adaptados en cada unidad de intercambio a través de los pulmones. Las partes inferiores del pulmón reciben un poco más de flujo sanguíneo que la ventilación porque la gravedad tiene un mayor efecto en la distribución de la sangre que en la distribución del aire inspirado.
En circunstancias ideales, las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en el gas alveolar y en la sangre arterial son idénticas. Normalmente hay una pequeña diferencia entre las tensiones de oxígeno en el gas alveolar y la sangre arterial debido al efecto de la gravedad sobre la correspondencia y la adición de una pequeña cantidad de drenaje venoso al torrente sanguíneo después de que ha dejado los pulmones. Estos eventos no tienen efecto mensurable sobre las presiones parciales de dióxido de carbono porque la diferencia entre sangre arterial y venosa es muy pequeña.
Intercambio de gas anormal
La enfermedad pulmonar puede conducir a anomalías graves en la composición de los gases sanguíneos. Debido a las diferencias en el transporte de oxígeno y dióxido de carbono, el intercambio de oxígeno alterado o anormal es mucho más común que el intercambio de dióxido de carbono alterado o anormal. Los mecanismos de intercambio anormal de gases se agrupan en cuatro categorías: hipoventilación, derivación, ventilación, desequilibrio del flujo sanguíneo y limitaciones de la difusión.
Si la cantidad de aire inspirado que entra en los pulmones es menor que la necesaria para mantener el intercambio normal, se presenta una condición conocida como hipoventilación, en donde la presión parcial alveolar del dióxido de carbono aumenta y la presión parcial del oxígeno cae casi recíprocamente. Cambios similares ocurren en presiones parciales de sangre arterial porque la composición del gas alveolar determina las presiones parciales de gas en la sangre que perfunden los pulmones. Esta anomalía conduce a cambios paralelos tanto en el gas como en la sangre y es la única anormalidad en el intercambio gaseoso que no causa un aumento en la diferencia normalmente pequeña entre las presiones parciales arteriales y alveolares de oxígeno.
En la derivación, la sangre venosa entra en el torrente sanguíneo sin pasar por el tejido pulmonar funcional. La derivación de sangre puede resultar de comunicaciones vasculares (vasos sanguíneos) anormales o de sangre que fluye a través de porciones no ventiladas del pulmón (por ejemplo, alvéolos llenos de fluido o material inflamatorio). Se observa una reducción en la oxigenación de la sangre arterial con la derivación, pero el nivel de dióxido de carbono en la sangre arterial no es elevado a pesar de que la sangre derivada contiene más dióxido de carbono que la sangre arterial.
Los diferentes efectos de la derivación en las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono son el resultado de las diferentes configuraciones de las curvas de disociación de sangre de los dos gases. Como se ha indicado anteriormente, la curva de disociación de oxígeno tiene forma de S y se encuentra cerca de la presión parcial de oxígeno alveolar normal, pero la curva de disociación de dióxido de carbono es más pronunciada y no se estabiliza a medida que aumenta la presión parcial de dióxido de carbono.
Cuando el área de pulmón colapsada y sin ventilación sale del pulmón sin intercambio de oxígeno o dióxido de carbono, el contenido de dióxido de carbono es mayor que el contenido normal de dióxido de carbono. La parte sana restante del pulmón recibe tanto su ventilación habitual como la ventilación que normalmente se dirigiría al pulmón anormal. Esto disminuye la presión parcial de dióxido de carbono en los alvéolos del área normal del pulmón. Como resultado, la sangre que sale de la parte sana del pulmón tiene un contenido de dióxido de carbono inferior al normal. El menor contenido de dióxido de carbono en esta sangre contrarresta la adición de sangre con un mayor contenido de dióxido de carbono del área anormal, y el contenido de dióxido de carbono en la sangre arterial compuesta sigue siendo normal.
Este mecanismo compensatorio es menos eficiente que el intercambio normal de dióxido de carbono y requiere un modesto aumento de la ventilación general, que generalmente se logra sin dificultad. Debido a que la curva de disociación de dióxido de carbono es empinada y relativamente lineal, la compensación por la disminución del intercambio de dióxido de carbono en una porción del pulmón puede compensarse con el aumento de la excreción de dióxido de carbono en otra área del pulmón.
En contraste, la derivación de la sangre venosa tiene un efecto sustancial sobre el contenido de oxígeno en la sangre arterial y la presión parcial. La sangre que sale de una zona no ventilada del pulmón tiene un contenido de oxígeno que es menor que el contenido normal (indicado por el cuadrado). En el área sana del pulmón, el aumento de la ventilación por encima de la normal aumenta la presión parcial de oxígeno en el gas alveolar y, por lo tanto, en la sangre arterial. La curva de disociación de oxígeno, sin embargo, alcanza una meseta a la presión parcial alveolar normal, y un aumento en la presión parcial de la sangre da lugar a un aumento insignificante en contenido de oxígeno.
La mezcla de sangre de esta porción sana del pulmón (con contenido de oxígeno normal) y sangre del área anormal del pulmón (con contenido de oxígeno disminuido) produce un contenido de oxígeno arterial compuesto que es menor que el nivel normal. Por lo tanto, un área de pulmón sano no puede contrarrestar el efecto de una porción anormal del pulmón sobre la oxigenación de la sangre debido a que la curva de disociación de oxígeno alcanza una meseta a una presión parcial alveolar normal de oxígeno. Este efecto sobre la oxigenación de la sangre se observa no sólo en la derivación, sino en cualquier anomalía que resulta en una reducción localizada en el contenido de oxígeno en la sangre.
El no coincidir con la ventilación y el flujo sanguíneo es con mucho la causa más común de una disminución de la presión parcial de oxígeno en la sangre. Hay cambios mínimos en el contenido de dióxido de carbono en la sangre, a menos que el grado de desajuste sea extremadamente severo. El aire inspirado y el flujo sanguíneo normalmente se distribuyen uniformemente, y cada alvéolo recibe cantidades aproximadamente iguales de ambos. Como la coincidencia de aire inspirado y el flujo sanguíneo se desvía de la relación normal de 1 a 1, los alvéolos se vuelven sobreventilados o subventilados en relación con su flujo sanguíneo. En los alvéolos que se sobreventilan, la cantidad de dióxido de carbono eliminado se incrementa, lo que contrarresta el hecho de que hay menos dióxido de carbono eliminado en los alvéolos que son relativamente subventilados.
Sin embargo, los alvéolos sobreventilados no pueden compensar en términos de mayor oxigenación para los alvéolos subventilados porque, como se muestra en la curva de disociación de oxígeno, se alcanza una meseta a la presión parcial alveolar del oxígeno y el aumento de la ventilación no aumentará el contenido de oxígeno en la sangre. En los pulmones sanos hay una distribución estrecha de la relación de la ventilación al flujo sanguíneo a través del pulmón que se centra alrededor de una proporción de 1 a 1. En la enfermedad, esta distribución puede ampliarse sustancialmente para que los alvéolos individuales puedan tener proporciones que se desvíen marcadamente de la Ratio de 1 a 1.
Cualquier desviación de la agrupación habitual alrededor de la relación de 1 a 1 conduce a la disminución de la oxigenación de la sangre (cuanto más dispar es la desviación, mayor es la reducción de la oxigenación de la sangre). Por otra parte, el intercambio de dióxido de carbono no se ve afectado por una relación anormal de ventilación y flujo sanguíneo, siempre y cuando se pueda lograr el aumento de ventilación necesario para mantener la excreción de dióxido de carbono en los alvéolos sobreventilados.
Una cuarta categoría de intercambio gástrico anormal implica la limitación de la difusión de gases a través de la delgada membrana que separa los alvéolos de los capilares pulmonares. Una variedad de procesos pueden interferir con este intercambio ordenado; Para el oxígeno, estos incluyen aumento del espesor de la membrana alveolar-capilar, pérdida de área superficial disponible para la difusión de oxígeno, reducción de la presión parcial alveolar de oxígeno requerida para la difusión y disminución del tiempo disponible para el intercambio debido al aumento de la velocidad del flujo. Estos factores suelen agruparse bajo la amplia descripción de "limitación de la difusión", y cualquiera puede causar la transferencia incompleta de oxígeno con una reducción resultante en el contenido de oxígeno en la sangre.
No hay limitación de la difusión del intercambio de dióxido de carbono porque este gas es más soluble que el oxígeno en la membrana alveolar-capilar, lo que facilita el intercambio de dióxido de carbono. Las reacciones complejas que intervienen en el transporte de dióxido de carbono se realizan con suficiente rapidez para evitar ser un factor limitante significativo a cambio.
Interacción de Respiración, Circulación Y Metabolismo
La interacción de la respiración, la circulación y el metabolismo es la clave para el funcionamiento del sistema respiratorio en su conjunto. Las células establecen la demanda de absorción de oxígeno y descarga de dióxido de carbono, es decir, para el intercambio de gases en los pulmones. La circulación de la sangre enlaza los sitios de utilización y absorción de oxígeno. El buen funcionamiento del sistema respiratorio depende tanto de la capacidad del sistema para realizar ajustes funcionales a necesidades variables como de las características de diseño de la secuencia de estructuras implicadas, que establecen el límite para la respiración.
El propósito principal de la respiración es proporcionar oxígeno a las células a una velocidad adecuada para satisfacer sus necesidades metabólicas. Esto implica el transporte del oxígeno del pulmón a los tejidos por medio de la circulación de la sangre. En la antigüedad y en la época medieval, el corazón era considerado como un horno donde el "fuego de la vida" mantenía la sangre hirviendo. La biología celular moderna ha revelado la verdad detrás de la metáfora. Cada célula mantiene un conjunto de hornos, las mitocondrias, donde, a través de la oxidación de productos alimenticios como la glucosa, se suministran las necesidades energéticas de las células. El objeto preciso de la respiración es el suministro de oxígeno a la mitocondria.
El metabolismo celular depende de la energía derivada de los fosfatos de alta energía como el trifosfato de adenosina (ATP), cuyo tercer enlace fosfato puede liberar una cantidad de energía para alimentar muchos procesos celulares, como la contracción de las proteínas de la fibra muscular o la síntesis de moléculas de proteínas. En el proceso, el ATP se degrada a adenosina difosfato (ADP), una molécula con sólo dos enlaces fosfato. Para recargar la molécula mediante la adición del tercer grupo de fosfato se requiere energía derivada de la descomposición de los productos alimenticios, o sustratos. Existen dos vías: (1) glicolisis anaeróbica, o fermentación, que funciona en ausencia de oxígeno; Y (2) el metabolismo aeróbico, que requiere oxígeno e involucra a las mitocondrias.
La vía anaeróbica conduce a desechos ácidos y es un derroche de recursos: La descomposición de una molécula de glucosa genera sólo dos moléculas de ATP. En contraste, el metabolismo aeróbico tiene un mayor rendimiento (36 moléculas de ATP por molécula de glucosa) y produce "desechos limpios" -agua y dióxido de carbono, que son fácilmente eliminados del cuerpo y son reciclados por las plantas en el proceso de fotosíntesis. Para cualquier actividad celular de alto nivel sostenida, por lo tanto, es preferible la vía metabólica aeróbica. Dado que la fosforilación oxidativa sólo se produce en las mitocondrias, y dado que cada célula debe producir su propio ATP (no se puede importar), el número de mitocondrias en una célula refleja su capacidad para el metabolismo aeróbico, o su necesidad de oxígeno.
El suministro de oxígeno a las mitocondrias a una tasa adecuada es una función crítica del sistema respiratorio, porque las células sólo mantienen una reserva limitada de fosfatos de alta energía y de oxígeno, mientras que normalmente tienen un suministro razonable de sustratos en stock. Si el suministro de oxígeno se interrumpe durante unos minutos, muchas células, o incluso el organismo, morirán.
El oxígeno es recogido del aire ambiental, transferido a la sangre en los pulmones, y transportado por el flujo sanguíneo a la periferia de las células donde es descargado para alcanzar las mitocondrias por difusión. La transferencia de oxígeno a las mitocondrias implica varias estructuras y diferentes modos de transporte. Comienza con la ventilación pulmonar, que se logra por convección o flujo masivo de aire a través de un sistema ingeniosamente ramificado de vías respiratorias. En las vías respiratorias más periféricas, la ventilación de los alvéolos se completa mediante la difusión de oxígeno a través del aire a la superficie alveolar.
La transferencia de oxígeno desde el aire alveolar hacia la sangre capilar se produce por difusión a través de la barrera tisular; Es impulsado por la diferencia de presión parcial de oxígeno entre el aire alveolar y la sangre capilar y depende del espesor (aproximadamente 0,5 μm [1 μm = 0,000039 pulgadas]) y el área superficial (aproximadamente 130 metros cuadrados en seres humanos) de la barrera. El transporte convectivo por la sangre depende de la tasa de flujo sanguíneo (gasto cardíaco) y de la capacidad de oxígeno de la sangre, que se determina por su contenido de hemoglobina en los glóbulos rojos. El último paso es la descarga difusiva de oxígeno de los capilares hacia el tejido y las células, que es impulsada por la diferencia de presión parcial de oxígeno y depende de la cantidad de sangre capilar en el tejido.
En este proceso, la sangre juega un papel central y afecta a todas las etapas de transporte: absorción de oxígeno en el pulmón, transporte por flujo sanguíneo y descarga a las células. La sangre también sirve como vehículo para los gases respiratorios: el oxígeno, que está unido a la hemoglobina en los glóbulos rojos, y el dióxido de carbono, que es transportado por el plasma y los glóbulos rojos y que también sirve como un amortiguador para el equilibrio ácido-base en Sangre y tejidos.
El metabolismo, o, más exactamente, la tasa metabólica de las células, establece la demanda de oxígeno. En reposo un humano consume aproximadamente 250 ml (aproximadamente 15 pulgadas cúbicas) de oxígeno cada minuto. Con el ejercicio esta tasa se puede aumentar más de 10 veces en un individuo sano normal, pero un atleta altamente entrenado puede lograr un aumento de más de 20 veces. A medida que más y más células musculares se dedican a hacer el trabajo, la demanda de ATP y oxígeno aumenta linealmente con la tasa de trabajo. Esto se acompaña de un aumento del gasto cardíaco, esencialmente debido a una mayor frecuencia cardiaca, y por el aumento de la ventilación de los pulmones; Como consecuencia, aumenta la diferencia de presión parcial de oxígeno a través de la barrera aire-sangre y aumenta la transferencia de oxígeno por difusión.
Estos ajustes dinámicos a las necesidades de los músculos ocurren hasta un límite que es dos veces más alto en el atleta que en el individuo inexperto. Esta gama de metabolismo oxidativo posible del descanso al ejercicio máximo se llama el alcance aerobio o capacidad aeróbica. El límite superior al consumo de oxígeno no es conferido por la capacidad de los músculos para hacer el trabajo, sino más bien por la capacidad limitada del sistema respiratorio para proporcionar o utilizar oxígeno a una tasa más alta. El músculo puede hacer más trabajo, pero más allá del alcance aeróbico debe volver al metabolismo anaeróbico, con el resultado de que los productos de desecho, principalmente el ácido láctico, se acumulan y limitan la duración del trabajo.
Por lo tanto, el límite del metabolismo oxidativo está determinado por algunas características del sistema respiratorio, desde el pulmón hasta la mitocondria. Saber cuáles son los límites es importante para entender la respiración como un proceso vital clave, pero no es sencillo, debido a la complejidad del sistema. Se ha aprendido mucho de la fisiología y la morfología comparadas, basándose en las observaciones de que las tasas de consumo de oxígeno difieren significativamente entre las especies. Por ejemplo, las especies atléticas en la naturaleza, como los perros o los caballos, tienen un alcance aeróbico más del doble que el de otros animales del mismo tamaño; Esto se llama variación adaptativa. Luego, el consumo de oxígeno por unidad de masa corporal aumenta a medida que los animales se hacen más pequeños, de modo que un ratón consume seis veces más oxígeno por gramo de masa corporal que una vaca, una característica llamada variación alométrica. Además, el alcance aeróbico puede aumentarse mediante el adiestramiento en un individuo, pero esta variación inducida alcanza en el mejor de los casos una diferencia del 50 por ciento entre el estado no entrenado y el entrenado, muy por debajo de las diferencias entre especies.
Dentro del ámbito aeróbico los ajustes se deben a la variación funcional. Por ejemplo, el gasto cardíaco se incrementa aumentando la frecuencia cardíaca. Una evidencia creciente indica que el límite al metabolismo oxidativo está relacionado con las características de diseño estructural del sistema. La cantidad total de mitocondrias en el músculo esquelético es estrictamente proporcional al consumo máximo de oxígeno, en todos los tipos de variación. En el entrenamiento, las mitocondrias aumentan en proporción al alcance aeróbico aumentado. Las mitocondrias establecen la demanda de oxígeno, y parecen poder consumir hasta 5 ml (0,3 pulgadas cúbicas) de oxígeno por minuto y gramo de mitocondrias.
Si la energía (ATP) necesita ser producida a una tasa más alta, las células musculares hacen más mitocondrias. Por lo tanto, es posible que el consumo de oxígeno se limite en la periferia, en el último paso del metabolismo aeróbico. Pero también es posible que más partes centrales del sistema respiratorio establezcan el límite al transporte de oxígeno, principalmente el corazón, cuya capacidad de bombear sangre alcanza un límite, tanto en términos de velocidad como de tamaño de los ventrículos, lo que determina el Volumen de sangre que puede ser bombeado con cada latido.
La cuestión de la limitación periférica versus la centralizada aún está en debate. Parece, sin embargo, que el pulmón como órgano de intercambio de gas tiene suficiente redundancia que no limita el metabolismo aeróbico en el sitio de absorción de oxígeno. Pero, mientras que las mitocondrias, la sangre, los vasos sanguíneos y el corazón pueden aumentar en número, frecuencia o volumen para aumentar su capacidad cuando aumentan las necesidades de energía, como en el entrenamiento, el pulmón carece de esta capacidad de adaptación. Si esto resulta cierto, el pulmón puede constituir el límite máximo del sistema respiratorio, más allá del cual el metabolismo oxidativo no puede ser incrementado por el entrenamiento.
TEMAS COMPLEMENTARIOS:
Sistema respiratorio: partes, órganos y funciones del aparato respiratorio humano
Sistema respiratorio - Mecánica de la respiración.
Sistema respiratorio - Control de la respiración.