4º SECUNDARIA BIOLOGÍA TEMA LA RESPIRACIÓN HUMANA

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1 TEMA LA RESPIRACIÓN HUMANA 1. EN QUÉ CONSISTE LA RESPIRACIÓN? Los seres humanos necesitamos un continuo aporte de energía para diferentes procesos. Entre ellos destacan: a) Síntesis de moléculas: proteínas estructurales, grasas, hormonas b) Trabajo mecánico: contracción de la musculatura. c) Trabajo químico: transmisión del impulso nervioso, paso de sustancias entre células, trabajo de filtración de los riñones d) Crecimiento y reparación de los tejidos: fabricación de nuevas células. e) Mantenimiento de la temperatura, dado que somos animales homeotermos (o de sangre caliente ). Toda esta energía se consigue mediante la degradación de glúcidos y grasas, proceso que ocurre en las mitocondrias de las células. Este proceso recibe el nombre de respiración celular. La ecuación química de la degradación de la glucosa es: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + energía glucosa oxígeno dióxido de carbono agua Este proceso requiere oxígeno y desprende dióxido de carbono, gases que son transportados por la sangre desde y hasta los pulmones donde se realiza el intercambio con el aire. Para facilitar este intercambio, los pulmones realizan movimientos respiratorios que se conocen como ventilación pulmonar. 2. CÓMO ES EL APARATO RESPIRATORIO HUMANO? Nuestro aparato respiratorio está formado por los pulmones y las vías respiratorias. Las vías respiratorias son conductos por los que pasa el aire desde el exterior hasta los pulmones, y viceversa. Los órganos que las componen son: Las fosas nasales, abertura natural del aparato respiratorio, con repliegues de piel, que calientan y humedecen el aire que entra en el cuerpo, y mucus y pelos, que lo limpian del polvo que transporta. La faringe, punto de cruce con el aparato digestivo, provista de la epiglotis, que impide la entrada de partículas alimenticias en las vías respiratorias. A ella va a desembocar la trompa de Eustaquio, canal de comunicación con el oído medio. La laringe, órgano de la voz. La tráquea, bronquios y bronquiolos, tubos cada vez más ramificados y de diámetro menor que conducen el aire a los alvéolos, bolsas esféricas recubiertas de un epitelio muy fino cuya misión es el intercambio de gases. Los pulmones son dos órganos de forma cónica alojados en la cavidad torácica, limitada por los lados por las costillas y por debajo por el músculo diafragma. Los pulmones están recubiertos por la pleura que se adhiere por su cara externa a la cavidad torácica y por su cara interna a los pulmones. Cada pulmón contiene alrededor de 150 millones de alvéolos con una superficie total de unos 75 m 2. Los pulmones reciben sangre sin oxigenar directamente del corazón a través de las arterias pulmonares que se ramifican cada vez más finamente hasta llevar la sangre a cada uno de los alvéolos. De ahí, la sangre oxigenada es llevada al resto del cuerpo (pasando otra vez por el corazón) mediante las venas pulmonares. página 79

2 3. EL MECANISMO QUE PERMITE LA CIRCULACIÓN DEL AIRE La entrada y salida del aire en los pulmones se denomina ventilación pulmonar y es debida a cambios del volumen de la caja torácica. La inspiración o movimiento de hinchamiento de los pulmones es debida a la acción de músculos que elevan las costillas (intercostales externos) y al diafragma (músculo laminar y abombado que separa el tórax del abdomen) que empuja las vísceras hacia abajo. La acción de ambos músculos provoca el ensanchamiento de la caja torácica y la aspiración del aire. La espiración o deshinchamiento de los pulmones es un movimiento habitualmente pasivo que se produce cuando cesa la acción de los músculos inspiratorios. No obstante, en las espiraciones forzadas, los músculos intercostales internos tiran de las costillas hacia abajo y los músculos abdominales empujan las vísceras hacia arriba, reduciendo el volumen de la caja torácica y provocando la salida del aire. Los pulmones son elásticos, aunque carecen de músculos. Siguen el movimiento de la caja torácica debido a que están fijados a ella gracias a la pleura. Se produce una renovación completa del aire pulmonar? Mediante un espirómetro se mide el volumen de aire que penetra y sale de los pulmones de una persona. La gráfica de la derecha se ha obtenido tras una serie de inspiraciones y espiraciones normales a las entre las que hay intercaladas una inspiración y una espiración forzadas. Qué volumen de aire corriente se mueve durante las inspiraciones y espiraciones normales? Qué volumen extra de aire puede introducirse en una inspiración forzada? Cómo se denomina ese volumen? Qué volumen extra de aire puede expulsarse en una espiración forzada? Cómo se denomina ese volumen? Cuál es la capacidad vital de esa persona (diferencia de volumen de los pulmones entre una inspiración y una espiración forzadas? Cuál es su ritmo respiratorio normal? página 80

3 Si la capacidad pulmonar total de esa persona es de 5 litros, se produce una renovación total de su aire pulmonar? Cuál es su volumen residual? La voz humana La laringe juega un papel esencial en la producción de la voz. Unos pliegues de su pared, llamados cuerdas vocales, vibran cuando el aire que sale de los pulmones pasa por ellos. Así se produce el sonido. Sin embargo la producción de la voz requiere un mecanismo muy complejo que exige la coordinación de la laringe, los labios y la lengua. 4. EL INTERCAMBIO DE GASES Tanto el aire inspirado como el espirado contienen oxígeno y dióxido de carbono, aunque en proporciones diferentes debido a que en los pulmones se produce un intercambio de gases con la sangre. El intercambio tiene lugar en los alvéolos. Estos consisten en una capa muy fina de células que separa el aire atmosférico de la sangre. Cuando el aire llega a los alvéolos, contiene más oxígeno (en %) que la sangre, por lo que una parte de éste pasa libremente a la sangre. De la misma forma, el Composición del aire (en %) Aire inspirado Aire espirado Oxígeno Dióxido de carbono 0,03 4 Nitrógeno dióxido de carbono de la sangre pasa al aire del interior de los alvéolos. En ambos casos, los gases se mueven por difusión. El intercambio de gases se ve favorecido por tres factores: la superficie total de los alvéolos es enorme y además está húmeda, los alvéolos están rodeados de capilares en los que la sangre es renovada constantemente gracias al bombeo del corazón y la superficie de separación entre aire y sangre es finísima. 5. EL TRANSPORTE DE GASES POR LA SANGRE Transporte de oxígeno. El oxígeno es poco soluble en el plasma sanguíneo, pero unido a la hemoglobina permite que la sangre transporte un volumen de oxígeno 65 veces mayor que el que se podría transportar disuelto en el plasma. La hemoglobina es una proteína transportadora de oxígeno que existe en el interior de los glóbulos rojos o eritrocitos sanguíneos, cada uno de los cuales posee en su interior unos 250 millones de moléculas. Cada molécula de hemoglobina está unida a cuatro átomos de hierro. Un átomo de hierro puede unirse a una molécula de oxígeno, de forma que cada hemoglobina puede transportar cuatro moléculas de oxígeno. Cuando la sangre pasa por los capilares pulmonares, el oxígeno se une a la hemoglobina libre y se forma la oxihemoglobina, que viaja con la sangre hasta los tejidos. Allí la oxihemoglobina se disocia en hemoglobina y página 81

4 oxígeno, que puede pasar a las células. En condiciones normales el 98% del oxígeno transportado por la sangre lo hace como oxihemoglobina; el 2% restante lo hace disuelto en el plasma. Transporte de dióxido de carbono El dióxido de carbono producido en las células pasa a la sangre por los capilares que atraviesan los tejidos. Allí es transportado por la sangre de tres formas: a) El dióxido de carbono es algo más soluble en el plasma que el oxígeno, por lo que aproximadamente un 5% es transportado de esa forma. b) Un 10% más del dióxido de carbono se une a algunas de las hemoglobinas que han quedado libres en los tejidos y se forma carboxihemoglobina, que al llegar a los pulmones volverá a disociarse. c) Pero el 85% restante viaja en forma de bicarbonato. Una enzima que existe en los glóbulos rojos transforma el dióxido de carbono a bicarbonato que es muy soluble en el plasma. Al llegar a los pulmones se produce la reacción inversa. En cualquier caso, al llegar a los capilares pulmonares, el CO 2 pasa al aire alveolar por difusión. 6. EL CONTROL DE LA RESPIRACIÓN Los músculos respiratorios se contraen y se relajan en el momento adecuado, como resultado de impulsos nerviosos procedentes del centro respiratorio localizado en el bulbo raquídeo. La cantidad de CO 2 en la sangre actúa directamente sobre el bulbo raquídeo o sobre receptores situados en la arteria aorta y las arterias carótidas. Cuando la presión parcial de CO 2 supera los valores normales, la velocidad de la respiración aumenta, tendiendo a eliminar el exceso de CO 2 : un aumento de sólo un 0,3% en el nivel de CO 2 da lugar a la duplicación del volumen de aire respirado. El volumen de aire respirado, que en condiciones de reposo es de unos 8 l/min puede llegar a 180 l/min durante el ejercicio físico. El centro respiratorio tiene conexiones con la corteza cerebral, por lo que podemos alterar voluntariamente el ritmo respiratorio o dejar de respirar por unos segundos; este control puede impedir la inhalación de gases indeseados o de agua. En cualquier caso el control voluntario solo se ejerce hasta una determinada acumulación de CO 2 en la sangre. 7. LA RESPIRACIÓN Y LA ALTITUD El rasgo más peligroso de las grandes alturas no es el frío, las escarpadas laderas o las avalanchas, sino la falta de oxígeno. A medida que aumenta la altitud, se produce un descenso de la presión atmosférica y, por tanto, de la presión parcial de oxígeno. El resultado es que el aire que se respira está empobrecido en oxígeno (ver tabla). La reducción de la presión de oxígeno comienza a manifestarse a los 3000 metros de altitud produciendo un estado de somnolencia, fatiga muscular y dolor de cabeza. A los 6000 m los síntomas se Altitud (m) 0 (nivel del mar) Presión atmosférica (mm de Hg) Presión parcial de oxígeno (mm de Hg) acentúan y pueden aparecer espasmos y convulsiones. A los 7000 m las personas no aclimatadas pueden entrar en estado de coma. El organismo puede adaptarse progresivamente a las bajas concentraciones de oxígeno y aclimatarse a vivir en las grandes alturas. Los principales mecanismo a través de los que se logra son: a) Incremento de la ventilación pulmonar, aumentando el ritmo respiratorio y el volumen de la caja torácica. b) Incremento de la concentración de hemoglobina en la sangre, que puede pasar desde 15 a 22 g/100 ml; como el volumen sanguíneo también puede incrementarse, el aumento total de la hemoglobina puede representar entre un 50 y un 90% más. Esta adaptación comienza tras dos o tres semanas y tarda varios meses en realizarse por completo. La adaptación a las grandes altitudes se utiliza para acondicionar físicamente a los deportistas. Por esa razón, diversas federaciones deportivas han fijado unos valores máximos aceptados del hematocrito. página 82

5 En las personas nacidas en altitudes superiores a 4000 m como en los Andes o el Himalaya, el proceso de aclimatación comienza en la infancia y produce, entre otros efectos mayor volumen del tórax y del corazón, así como mayor número de glóbulos rojos que pueden llegar a 8 millones por mm 3. Hasta los años 70 se pensaba que el límite de supervivencia para el hombre se situaba en los 6000 m, pero en 1978 dos escaladores alcanzaron la cima del Everest sin utilizar oxígeno adicional. Tres años después, la Expedición de Investigación Médica Norteamericana viajó al Himalaya y logró efectuar mediciones a alturas superiores a 8000 m, incluyendo en el registro continuo de la actividad eléctrica del corazón y la obtención de gases en los alvéolos, comprobándose que a esas alturas la capacidad de trabajo se ve muy disminuida y se producen cambios en el metabolismo y en la función cerebral. Dos expedicionarios perdieron hasta 15 kg de peso, debido al incremento de la producción de hormona tiroidea, que incrementa la tasa de respiración celular. El aprendizaje verbal y la memoria a corto plazo también disminuyeron notablemente. 8. EL TABACO Y LA SALUD. El tabaco contiene más de 4000 compuestos químicos diferentes, muchos de ellos tóxicos para el organismo, especialmente para el aparato respiratorio. Entre ellos destacan: Compuestos irritantes como la acroleína. Destruyen los cilios que tapizan las vías respiratorias, dañan las paredes alveolares y originan bronquitis y enfisema pulmonar. Nicotina. Sus efectos se manifiestan sobre el corazón, vasos sanguíneos y sistema nervioso. Monóxido de carbono. Se fija a la hemoglobina y perturba el transporte de oxígeno. El tabaco es responsable del 90% de las muertes por cáncer de pulmón y del 25% de los accidentes coronarios. Otras enfermedades ligadas al tabaco son la arteriosclerosis y las úlceras gástricas. Los hijos de madres fumadoras pesan al nacer 250 g menos en promedio, tienen mayor riesgo de muerte en los momentos próximos al parto y una probabilidad más alta de contraer neumonía o bronquitis el primer año de vida. Los fumadores también imponen esos riesgos a los no fumadores de su entorno, los fumadores pasivos. En un ambiente cerrado, estos últimos se ven obligados a inhalar el humo del tabaco de forma que se puede detectar nicotina en su orina y monóxido de carbono en susangre. CUÁNTOS AÑOS REDUCE EL TABACO TU ESPERANZA DE VIDA? Edad actual No fumador 1-9 cigarrillos diarios cigarrillos diarios cigarrillos diarios Años perdidos para un fumador de cg/d. Datos tomados del informe de la OMS ESPERANZA DE VIDA SEGÚN EL CONSUMO DE TABACO 48,6 43,9 39,2 34,5 30,0 25,6 44,0 39,3 34,7 30,2 25,9 21,8 43,1 38,4 33,8 29,3 25,0 21,0 42,4 37,8 33,2 28,7 24,4 20,5 6,2 6,1 6,0 5,8 5,6 5,1 21,4 17,9 17,4 17,0 4,4 17,6 14,5 14,1 13,7 3,9 14,1 11,3 11,2 11,0 3,1 El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, producido en las combustiones incompletas que tiene una afinidad por la hemoglobina de 200 a 300 veces superior a la del oxígeno. La sangre de los fumadores contiene cantidades variables Cigarrillos / día de monóxido de carbono. Cuando la concentración del CO en la sangre es inferior a 10%, no se sienten molestias, excepto al realizar ejercicio físico; los deportistas conocen perfectamente el efecto del tabaco sobre su rendimiento. Aún en el caso de abandonar el tabaco se necesitan varios días para volver a la normalidad. Porcentaje de CO en la sangre 4,9 % 6,3 % 9,2 % página 83

6 En caso de intoxicación por monóxido de carbono, los métodos tradicionales de reanimación no suelen dar resultados positivos. El único tratamiento eficaz es el oxígeno puro a presión, que acelera la eliminación del monóxido de carbono y aumenta la cantidad de oxígeno en el plasma. página 84

7 9. ACTIVIDADES DE REPASO 1. Rotula el esquema de aparato respiratorio dado al lado. 2. Rotula el siguiente esquema de un saco alveolar con la lista de términos siguiente: Alvéolos, arteriola pulmonar, atrio, bronquiolo, capilares pulmonares, conducto alveolar, pared alveolar, vénula pulmonar 3. El espirograma adjunto corresponde a un humano adulto. a) Calcule los volúmenes corriente, inspiratorio de reserva y espiratorio de reserva b) Calcule el ritmo respiratorio y el volumen de aire respirado por minuto. 4. En un experimento realizado en un gran hospital se seleccionaron dos grupos de pacientes del mismo sexo y de edad semejante. Todos los pacientes del grupo A padecían cáncer de pulmón mientras que los del grupo B padecían otras enfermedades. Los médicos encontraron que en ambos grupos había fumadores en los porcentajes que muestra la tabla adjunta. a) Qué conclusiones obtendrías de estos resultados? b) Por qué es necesario considerar al grupo B (grupo de control)? c) Explica de qué otra forma podrían haber llevado a cabo el experimento. 5. La práctica del buceo comporta ciertos riesgos. Uno de ellos es el llamado enfermedad de los buzos o síndrome de la descompresión. En el buceo con botellas de aire comprimido, el regulador suministra aire a los pulmones a una presión equivalente a la de la profundidad a la que se halla el buzo. Cuanto más elevada es la presión, con más facilidad se disuelven los gases en la sangre. En el caso del nitrógeno, esto adquiere una particular importancia: a nivel del mar, los tejidos y la sangre contienen alrededor de 1 litro de nitrógeno disuelto, mientras que a 100 m de profundidad contienen 10 litros de Pacientes que habían fumado más de 15 cigarrillos por día Pacientes no fumadores Grupo A 25 0,5 Grupo B 13 4,5 página 85

8 ese gas. Si un buceador asciende rápidamente, se produce una descompresión brusca: entonces el nitrógeno se desprende de la sangre en forma de burbujas que pueden interrumpir la circulación capilar, presionar sobre terminaciones nerviosas o provocar un coágulo. El síndrome de la descompresión se presenta como un dolor de las articulaciones, entumecimiento, parálisis, hormigueos, mareos, trastornos de la visión, edema de pulmón e incluso infartos. Este síndrome puede sufrirlo cualquier buceador que haya sobrepasado los 9 metros de profundidad y la única solución es efectuar ascensos lentos respetando las paradas que indican las tablas. Para los ejercicios 6, 7, 8, 9 y 10 refiérase a las tablas que figuran al final. 6. Compare los volúmenes de oxígeno transportados por la sangre con la solubilidad del oxígeno en agua. Dé una explicación a la aparente contradicción. 7. Demuestre que el músculo en actividad consume oxígeno y desprende dióxido de carbono. 8. Calcule el volumen de sangre bombeada por minuto por el corazón en reposo, en ejercicio moderado y en ejercicio intenso. 9. Calcule el volumen total de oxígeno por minuto transportado por la sangre a los músculos en reposo y durante el ejercicio. 10. Calcule el volumen total de dióxido de carbono por minuto transportado por la sangre desde los músculos en reposo y durante el ejercicio. TABLA 1 CONTENIDO DE GASES EN LA SANGRE (ml por 100 ml de sangre) Oxígeno Dióxido de carbono Músculo En reposo En actividad En reposo En actividad Sangre a la entrada 13,1 13,3 51,1 48,5 Sangre a la salida 11,0 1, ,9 TABLA 2 ACTIVIDAD CARDIACA Frecuencia Volumen cardiaca por sangre por min. latido (ml) Reposo Ejercicio moderado Ejercicio intenso TABLA 3 CONSUMO DE UNA PERSONA NORMAL (Kj/min) Durmiendo 4,2 Leyendo sentado 5,8 Cortando troncos 37,6 Levantando peso 48,0 TABLA 4 SOLUBILIDAD DEL OXÍGENO EN AGUA (ml de oxígeno en cada l de agua) Temperatura (ºC) Agua dulce Agua salada 0 10,29 7, ,02 6, , ,57 4, ,35 3,85 TABLA 5 % DE SANGRE QUE RIEGA DISTINTOS ÓRGANOS (reposo) Encéfalo 14 Corazón 5 Hígado 6 Intestino 21 Riñones 22 Músculos 26 Glándulas / piel 5 página 86

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