Fases de la Respiración
La respiración es un proceso complejo que se divide en seis fases principales:
- Ventilación pulmonar: Movimiento de aire entre la atmósfera y los alvéolos.
- Hematosis: Intercambio de gases (O2 y CO2) entre los alvéolos y la sangre.
- Transporte sanguíneo de gases: Movimiento de O2 y CO2 a través del torrente sanguíneo.
- Intercambio de gases entre la sangre y los tejidos: Transferencia de O2 de la sangre a las células y de CO2 de las células a la sangre.
- Respiración celular: Utilización de O2 por las células para producir energía (ATP) y liberación de CO2 como producto de desecho.
- Regulación neurohumoral de la respiración: Control de la frecuencia y profundidad de la respiración por el sistema nervioso y factores químicos.
Intercambio de Gases entre la Atmósfera y los Pulmones
El intercambio de gases entre la atmósfera y los pulmones se basa en la ley de Boyle-Mariotte: a temperatura constante, la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen. Esto significa que al aumentar el volumen de la cavidad torácica, la presión intrapulmonar disminuye, permitiendo la entrada de aire. Al disminuir el volumen, la presión aumenta, forzando la salida del aire.
La espiración suele ser un proceso pasivo, debido a la relajación de los músculos inspiratorios. Sin embargo, puede ser activa, como al cantar o realizar ejercicio intenso.
Los pulmones no se colapsan completamente gracias a las membranas pleurales (visceral y parietal) y al líquido intrapleural. La cohesión molecular del líquido intrapleural mantiene las pleuras unidas, evitando el colapso pulmonar. Si entra aire en el espacio pleural (neumotórax), esta cohesión se rompe y el pulmón puede colapsarse.
Las fuerzas que tienden al colapso pulmonar son la elasticidad del parénquima pulmonar y la tensión superficial del líquido alveolar. La fuerza que se opone es la presión intrapleural, que es negativa.
La tensión superficial del vapor de agua (H2O) en los alvéolos (HAS) tiende a colapsarlos. El surfactante pulmonar, una sustancia similar a un detergente, reduce esta tensión superficial, lubricando los alvéolos y evitando su colapso.
Funciones del Aparato Respiratorio
- Distribución del aire.
- Intercambio de gases (O2 y CO2).
- Filtrado, calentamiento y humidificación del aire inspirado.
- Regulación del pH sanguíneo.
- Regulación de la temperatura corporal.
Respiración Celular y Externa
- Respiración celular: Proceso intracelular donde el O2 reacciona con moléculas orgánicas para producir CO2, H2O y ATP (energía).
- Respiración externa: Movimiento de gases entre el ambiente y las células del organismo. Involucra los sistemas respiratorio y circulatorio.
Mecánica Ventilatoria
La ventilación pulmonar es el movimiento de aire hacia dentro y fuera de los pulmones. Depende de:
- El volumen de aire que entra en cada inspiración (volumen corriente).
- La frecuencia respiratoria (número de respiraciones por minuto).
Inspiración
- Contracción de los músculos intercostales externos.
- Relajación de los músculos intercostales internos.
- Movimiento de las costillas hacia delante y arriba.
- Contracción y aplanamiento del diafragma.
- Aumento del volumen de la caja torácica.
- Disminución de la presión intrapulmonar (menor a la atmosférica).
- Entrada de aire a los pulmones.
Espiración
- Relajación de los músculos intercostales externos.
- Contracción de los músculos intercostales internos.
- Movimiento de las costillas hacia atrás y abajo.
- Relajación del diafragma (vuelve a su forma de domo).
- Disminución del volumen de la caja torácica.
- Aumento de la presión intrapulmonar (mayor a la atmosférica).
- Salida de aire de los pulmones.
Resistencias Pulmonares
- Resistencias elásticas (estáticas): Dependen de la distensibilidad pulmonar (elasticidad y tensión superficial). Son las más importantes en condiciones normales.
- Resistencias aéreas (dinámicas): Dependen del diámetro de las vías aéreas y del flujo de aire. Pueden ser significativas en patologías como asma o bronquitis crónica.
Composición y Presiones Parciales de los Gases
La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas.
Presión atmosférica = 760 mmHg
- O2: 21% (159.6 mmHg)
- N2: 78.95% (600.02 mmHg)
- CO2: 0.05% (0.36 mmHg)
A nivel alveolar, el aire inspirado se mezcla con el aire residual, modificando las presiones parciales:
- PO2 alveolar: 100 mmHg
- PCO2 alveolar: 40 mmHg
Hematosis
Es el intercambio de gases a través de la membrana alveolo-capilar. La superficie alveolar es de aproximadamente 100 m2.
El intercambio ocurre entre el alvéolo y la sangre, y viceversa, siguiendo la Ley de Fick:
La difusión de un gas a través de una membrana es:
- Directamente proporcional a la superficie de la membrana.
- Inversamente proporcional al espesor de la membrana.
- Directamente proporcional a la diferencia de presiones parciales del gas a ambos lados de la membrana.
- Directamente proporcional a la temperatura del gas.
- Inversamente proporcional al peso molecular del gas.
- Directamente proporcional al coeficiente de solubilidad del gas en la membrana (el CO2 difunde más rápido que el O2).
En el extremo arterial del capilar alveolar:
- PO2: 40 mmHg
- PCO2: 45 mmHg
(Entra O2 y sale CO2)
En el extremo venoso del capilar alveolar, la sangre se equilibra con las presiones alveolares.
Transporte Sanguíneo de Gases
El 97% del O2 se transporta unido a la hemoglobina (Hb) dentro de los glóbulos rojos. El 3% restante se disuelve en el plasma.
Respiración Celular
Es el proceso por el cual la energía química de las moléculas de «alimento» (carbohidratos, grasas y proteínas) es liberada y parcialmente capturada en forma de ATP.
La glucosa es el ejemplo más común. La respiración celular se divide en tres procesos metabólicos:
- Glucólisis: Ocurre en el citoplasma. La glucosa se descompone en piruvato.
- Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico): Ocurre en la matriz mitocondrial. El piruvato se convierte en acetil-CoA, que entra en el ciclo. Se libera CO2 y se generan transportadores de electrones (NADH y FADH2).
- Fosforilación oxidativa (cadena de transporte de electrones): Ocurre en las crestas mitocondriales. Los electrones de NADH y FADH2 se transfieren a través de una serie de complejos proteicos, generando un gradiente de protones (H+) que impulsa la síntesis de ATP.
Mecanismos de Producción de ATP
- Fosforilación: Adición de un grupo fosfato al ADP.
- Teoría de la quimiósmosis: Se da en las membranas, por medio de la actividad de la ATP sintetasa, utilizando la energía almacenada en el gradiente de concentración de iones H+.
Efecto Bohr
Es un desplazamiento de la curva de saturación de la hemoglobina hacia la derecha, lo que favorece la liberación de O2 en los tejidos. Se produce por:
- Aumento de la temperatura.
- Disminución del pH (aumento de la acidez).
- Aumento de la concentración de CO2 (y por tanto, de carboxihemoglobina).
Transporte de CO2
El CO2 se transporta en la sangre de tres formas:
- Disuelto en el plasma (10%).
- Unido a proteínas plasmáticas y a la globina de la hemoglobina (compuestos carbamino, 20%).
- Como ion bicarbonato (HCO3–, 70%). El CO2 reacciona con el agua (H2O) formando ácido carbónico (H2CO3), que se disocia en HCO3– y H+. Esta reacción es catalizada por la anhidrasa carbónica, presente en los glóbulos rojos.
Función Buffer: Los sistemas tampón (buffer) del organismo, como el bicarbonato, ayudan a mantener el pH sanguíneo dentro de límites estrechos. El bicarbonato de sodio (NaHCO3) puede reaccionar con ácidos fuertes, como el ácido láctico, formando ácido carbónico (H2CO3), que es más débil. El ácido carbónico se disocia en CO2 y H2O, y el CO2 se elimina por los pulmones.
Intercambio de Gases entre la Sangre y los Tejidos
El O2 pasa de la sangre a los tejidos y el CO2 de los tejidos a la sangre por diferencia de presión parcial.
Obtención de Energía: Sistemas Aeróbico y Anaeróbico
- Sistema aeróbico: Utiliza oxígeno. Ocurre en la mitocondria.
- Sistema anaeróbico: No utiliza oxígeno. Ocurre en el citoplasma.
Ciclo de Krebs: Descripción Detallada
La mitocondria tiene una membrana externa, una interna y una matriz mitocondrial. El acetil-CoA (2 carbonos) entra en la matriz mitocondrial y se une al oxalacetato (4 carbonos) para formar citrato (6 carbonos). A lo largo del ciclo, el citrato se va oxidando, liberando CO2 y generando NADH y FADH2 (transportadores de electrones). El oxalacetato se regenera al final del ciclo, permitiendo que el proceso continúe.
Los hidrógenos (protones y electrones) liberados durante el ciclo de Krebs son transportados por NADH y FADH2 a la cadena respiratoria (cadena de transporte de electrones), ubicada en la membrana interna mitocondrial. Allí, los electrones se transfieren a través de una serie de complejos proteicos, liberando energía que se utiliza para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Este gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP por la ATP sintasa. Al final de la cadena, los electrones se combinan con O2 y H+ para formar agua (H2O).
El ciclo de Krebs sirve para oxidar completamente el acetil-CoA, derivado de la glucosa, ácidos grasos y aminoácidos, liberando CO2 y generando transportadores de electrones que impulsarán la producción de ATP en la cadena respiratoria.
Cambios en la Ventilación con el Ejercicio
- Durante el ejercicio moderado, el aumento de la ventilación minuto se debe principalmente a un aumento del volumen corriente, con pocos cambios en la frecuencia respiratoria.
- Durante el ejercicio intenso y mantenido, se produce un aumento brusco de la frecuencia respiratoria debido al aumento del metabolismo anaeróbico y la producción de ácido láctico.