BASES FÍSICAS DE LA RESPIRACIÓN ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA RESPIRATORIO

Transcripción

1 BASES FÍSICAS DE LA RESPIRACIÓN ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA RESPIRATORIO Miryam Romero R. MSc. PhD. Profesora de Fisiología Departamento de Ciencias Fisiológicas Universidad del Valle 1

2 FISIOLOGÍA COMPARATIVA DE LA RESPIRACIÓN La respiración externa implica el intercambio de O 2 y CO 2 entre la atmósfera y las mitocondrias. En los siglos 4 y 5 AC los escritos atribuidos a Hipócrates sugerían que el propósito de la respiración era refrigerar el corazón. Hacia el año 1700 los químicos reconocían similitudes entre la combustión y la respiración. Consideraban que ambas involucraban la producción de flogisto, algo así como la sustancia del fuego. Según esta teoría ni la vida ni la combustión podían continuar una vez el aire se saturaba de flogisto. 2

3 Hacia 1750, Joseph Black encontró que al calentar el carbonato de calcio se produce un gas que el denominó aire fijo, el cual ahora conocemos como dióxido de carbono (CO 2 ). Luego Cavendish demostró que la fermentación y la putrefacción producen CO 2. Hacia 1770, Priestley y Scheele encontraron varios nuevos gases. Entre ellos el aire desflogistonado. Priestley demostró que este último gas se consume durante la combustión, la putrefacción y la respiración. Todos estos procesos reducen el volumen del aire ambiental en un 20% y las plantas verdes producen este gas. 3

4 Hacia 1775, Lavoisier renombró este nuevo gas como oxígeno (O 2 ), el cual se consume durante la combustión, dejando aire no vital o nitrógeno. Derribó así la teoría del flogisto. Hacia 1790, Spallanzani mostró que el consumo de O 2 y la producción de CO 2 ocurre principalmente en los tejidos y no en los pulmones como se pensaba. Luego se demostró que la respiración mitocondrial (oxidación de compuestos carbonados) es la responsable del consumo de O 2 y la producción de CO 2 (respiración interna o fosforilación oxidativa). 4

5 El estudio de la respiración externa implica entonces comprender el transporte de O de la atmósfera a 2 la mitocondria, el transporte de CO desde la mitocondria hacia la 2 atmósfera y la relación de estos procesos con la homeostasis ácidobase. 5

6 La difusión es el mecanismo más importante de respiración externa en los organismos acuáticos pequeños. El flujo (moles/s) corresponde a la tasa a la cual ocurre el movimiento de gases a través de la superficie del organismo. El flujo es proporcional al gradiente de concentración a través de la barrera (Ley de Fick). De acuerdo con la Ley de Henry la concentración de un gas disuelto es proporcional a su presión parcial en la fase gaseosa. El flujo por lo tanto es proporcional a la diferencia de presiones parciales que existan a través de la barrera. 6

7 Difusión de Co 2 y 0 2 en un organismo unicelular 7

8 La difusión simple es el mecanismo por el cual el O 2 y el CO 2 se mueven distancias cortas en el sistema respiratorio, entre el aire y la sangre en los alvéolos y entre las mitocondrias y la sangre en la circulación periférica. La amplificación del área de superficie de intercambio gaseoso aumenta la difusión. En los humanos el área de los pulmones es tan grande y la barrera alveolar tan delgada que el transporte de gases a través de la barrera alveolar es tres veces mas rápido que el necesario cuando el gasto cardíaco es normal. 8

9 La convección aumenta la difusión al producir mayor pendiente en los gradientes de concentración a través de la barrera de difusión. La difusión es inadecuada para el intercambio de gases cuando un organismo excede 1 mm de diámetro. Un forma de mejorar el problema es introducir un mecanismo de convección local en la superficie externa del organismo. Para la convección los animales marinos bombean agua a través de sus órganos para el intercambio de gases. Los mamíferos bombeamos aire de la atmósfera gracias a una bomba convectiva compuesta por los pulmones, las vías respiratorias y los músculos respiratorios. 9

10 Se conoce ventilación al proceso de movilizar aire hacia adentro y hacia fuera de los pulmones. Para ello los mamíferos expandimos nuestros pulmones desarrollando una presión negativa dentro del tórax. A través de este proceso los humanos ventilamos nuestros alvéolos con 4000 ml de aire fresco cada minuto y extraemos de este aire 250 ml de O 2. Tasa de 16:1. En condiciones STPD el aire contiene 210 ml de O 2 /l de aire. La convección asegura que la superficie externa de la barrera de intercambio gaseoso este en contacto con un fluido cuya composición tiende a igualar. Este equilibrio se daría si la ventilación tendiera al infinito. Sin embargo, la ventilación implica un costo energético, por lo cual debe haber un compromiso entre lograr el mejor equilibrio a un menor costo energético. 10

11 Esta situación se da a una ventilación alveolar de 4000 ml/min, una PO 2 alveolar de 100 mm Hg versus una de 149 mm Hg en la atmósfera húmeda a 37 grados centígrados y una PCO 2 alveolar de 40 mm Hg versus 0.2 mm Hg en el aire húmedo. La perfusión sanguínea pulmonar es un sistema convectivo interno. Garantiza que la PO 2 en el fluido interno sea uniforme y así maximiza el flujo de O 2 y CO 2 en la superficie interna de la barrera. La separación de una circulación sistémica y otra pulmonar maximiza los gradientes para la difusión de los gases a nivel del alveolo y de las mitocondrias periféricas. La hemoglobina incrementa la capacidad de transporte de gases de la sangre (65 veces). Ella se une de forma reversible a cerca del 96% del O 2 que difunde de los espacios aéreos alveolares a la sangre de los capilares pulmonares. Igualmente juega un papel importante en el transporte de CO 2 ligándolo de manera reversible (20%) y actuando como un poderoso amortiguador de protones. El CO 2 es 23 veces mas soluble en agua que el O 2. 11

12 COMPOSICIÓN DEL AIRE 12

13 PRESIONES PARCIALES Y VAPOR DE AGUA 13

14 PRESIONES PARCIALES 14

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17 ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA RESPIRATORIO HUMANO El ser humano optimiza cada aspecto de la respiración externa-ventilación, circulación, amplificación de área, acarreo de gases, control local y control central 17

18 COMPONENTES DEL SISTEMA RESPIRATORIO Bomba del sistema convectivo externo: (1) Músculos respiratorios. (2) Líquido pleural = 10 ml. (3) Pulmón derecho; tres lóbulos y 55% de la masa. (4) Vías respiratorias (espacio muerto anatómico ml). (5) Tráquea = 2.5 cm. El área agregada es fundamental para el flujo. La barrera difusional tiene menos de 0.5 microm (0.3). Mecanismos de transporte de CO 2 y O 2 en la sangre. Superficie de intercambio gaseoso. Los alvéolos son estructuras hemisféricas con 75 a 300 microm de diámetro. Hay 300 millones. Área agregada de 50 a 100 m 2. Volumen agregado entre 5 y 6 litros. Sistema convectivo interno. Circulación. Mecanismo para regular localmente la distribución de la ventilación y la perfusión. Mecanismo de control central de la ventilación. 18

19 ANATOMÍA DEL PULMÓN VÍAS AÉREAS SUPERIORES: NARIZ, SENOS PARANASALES, LARINGE Y CUERDAS VOCALES 19

20 ANATOMÍA DEL PULMÓN VÍAS AÉREAS INFERIORES: TRÁQUEA, BRONQUIOS, BRONQUIOLOS Y UNIDAD RESPIRATORIA 20

21 ANATOMÍA DEL PULMÓN SEGMENTO BRONCOPULMONAR O UNIDAD ANATÓMICA FUNCIONAL 21

22 ANATOMÍA DEL PULMÓN Vías conductivas y unidades alveolares del pulmón 22

23 ANATOMÍA DEL PULMÓN Vía aérea desde el bronquiolo terminal hasta el alvéolo 23

24 ANATOMÍA DEL PULMÓN Alvéolos: la unidad respiratoria terminal consta de alvéolos (A) y ductos alveolares (AD) que surgen de un bronquiolo respiratorio 24

25 IRRIGACIÓN SANGUÍNEA DEL PULMÓN Circulaciones pulmonar y bronquial Pared alveolar mostrando una densa red de capilares 25

26 IRRIGACIÓN SANGUÍNEA DEL PULMÓN Circulaciones pulmonar y bronquial Relación anatómica entre arteria pulmonar, arteria bronquial, vías aéreas y linfáticas 26

27 FLUJO SANGUÍNEO DE LAS VÍAS AÉREAS 27

28 INERVACIÓN DE LOS PULMONES Inervación autonómica (sensorial y motora) y somática (motora) de músculos intercostales y diafragma 28

29 INERVACIÓN DE LOS PULMONES Resumen esquemático de la inervación de las vías aéreas 29

30 CONTROL CENTRAL DE LA RESPIRACIÓN Regulación de la respiración requiere: 1) generación y mantenimiento del ritmo respiratorio, 2) modulación de este ritmo por circuitos de retroalimentación sensorial y reflejos y 3) reclutamiento de músculos respiratorios que pueden contraerse apropiadamente para el intercambio de gas. 30

31 MÚSCULOS DE LA RESPIRACIÓN Diafragma, intercostales externos, escaleno 31

32 FLUIDOS QUE BORDEAN EL EPITELIO PULMONAR JUEGAN PAPEL FISIOLÓGICO DE GRAN IMPORTANCIA Fluido periciliar, mucus y surfactante. Sistema de limpieza mucociliar y Surfactante que disminuye la tensión superficial. 32

33 VIAS RESPIRATORIAS 33

34 VIAS AÉREAS; VELOCIDAD Y ÁREA AGREGADA 34

35 OTRAS FUNCIONES. La ventilación es esencial para liberar odorantes sobre el epitelio olfatorio. Filtrar el aire. Vibrisas por encima de 15 microm, moco desde 2 a 10 microm, 0.5 microm (aerosoles) macrófagos alveolares. Calentar para que el intercambio de gases se de a la temperatura corporal. A temperatura ambiente la solubilidad del O 2 es mayor. A medida que la sangre se calienta el O 2 se hará insoluble y se formarán burbujas de aire. Humedecer el aire es importante para que los alvéolos no se desequen. Reserva de sangre para el ventrículo izquierdo. Alta distensibilidad. Filtrar pequeños émbolos de la sangre. Reacciones bioquímicas 35

36 Manejo de agentes por parte de la circulación pulmonar 36

37 Convenciones de símbolos en Fisiología Respiratoria 37