introducción al sistema respiratorio y ventilación

8/20/2019 Introducción Al Sistema Respiratorio y Ventilación

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FISIOLOGÍA DEL SISTEMA RESPIRATORIO I y IIPor: Diego Pereira, Luis Montoya.

᷉

INTRODUCCIÓN AL SISTEMA RESPIRATORIO

La respiración proporciona oxígeno a los

tejidos y retira el dióxido de carbono. Uno de

los elementos fundamentales de este proceso

es el pulmón, diseñado para el intercambio

gaseoso. Su principal función es permitir que el

oxígeno se desplace desde el aire hacia la

sangre venosa y que el dióxido de carbono lo

haga en sentido opuesto.

Entonces, la respiración se puede

definir como una serie de procesos físicos que

permiten el intercambio de O2 y CO2 entre la

célula y el medio ambiente. La necesidad de

oxígeno por un organismo está relacionada con

el metabolismo aeróbico, en donde este gas

actúa como aceptor final de electrones en la

cadena respiratoria para producir ATP en el proceso de respiración celular.

El cociente respirator io (R) es la relación entre el CO2 producido y el O2 consumido por lacélula en un minuto.

El coef ic iente de intercamb io respirator io (R) es la relación entre el CO2 eliminado por el

pulmón en un minuto y el O2 consumido por el pulmón en un minuto.

Lo cual es lo mismo decir que:

NOMENCLATURA

. El simbolo representa flujo, no volumen.



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Dependiendo del tipo de nutriente, el cociente respiratorio se va a alterar por las

características bioquímicas de la sustancia.

Los carbohidratos poseen un cociente respiratorio de 1, los lípidos de 0.7 y lasproteínas de 0.8. Esto quiere decir que la cantidad de O2 necesario para poder oxidar los

carbohidratos es igual al CO2 que se produce luego de este proceso. En cambio, por ejemplo

los lípidos son moléculas que se encuentran más reducidas y por ende necesitan másoxígeno para poder procesarse. Por ello al calcular el cociente respiratorio el valor va a ser

menor.

Los organismos más simples, como los microorganismos unicelulares paramecios, son

aeróbicos y realizan un transporte de gases muy rápido debido a que los gases únicamente

deben de atravesar la membrana. Sin embargo, en organismos multicelulares como los

humanos la complejidad de este proceso se ve aumentada en gran medida, haciendo

necesario el uso e integración de otros sistemas fisiológicos como el cardiovascular para

permitir llevar a cabo la función del sistema respiratorio.

El área que ocupan los pulmones es de aproximadamente 75 m2, que se comprime

increíblemente hasta llegar a un tamaño de aproximadamente una botella de 3 lt. El pulmón

genera esta gran área de difusión dividiéndose en millones de unidades denominadas

alvéolos, cada uno envuelto por numerosos capilares.

Hay dos grandes procesos que ocurren en el sistema respiratorio:

La convección, un flujo de líquidos o gases que se establecen a

través de un sistema de tubos, debido a una diferencia de presión

entre los extremos del sistema (presión de propulsión).

La difusión simple, consiste en un flujo de moléculas de una

sustancia que se establece a través de una fase líquida o gaseosa o

a través de una membrana semipermeable, debido a la agitación

térmica molecular.



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En el siguiente gráfico, el eje Y representa la

presión parcial de oxígeno, mientras que el eje X

representa los distintos lugares en los que pasa el

aire. A medida que se va acercando hacia la

mitocondria, la PO2 va disminuyendo

progresivamente hasta llegar a nivel de los

tejidos. Representa, entonces, el viaje que tiene

que hacer el oxígeno para poder llegar desde el

exterior hacia los tejidos: Primero un proceso de

intercambio entre la atmósfera y los alveolos,

luego un segundo proceso de intercambio entre los alvéolos y los capilares, un proceso de

transporte del oxígeno por la circulación hasta darse un tercer intercambio a nivel de los

tejidos, entre los eritrocitos y las células.

En el siguiente cuadro se representan los distintos

procesos físicos que ocurren durante procesos

funcionales característicos en la respiración. Se da un

proceso de convección en el intercambio de gases entre

la atmósfera y los alvéolos, luego difusión entre los

alvéolos y los capilares para enviarlo a la circulación,

luego convección a lo largo del transporte por todo el

sistema circulatorio, y difusión a nivel de la oxigenación

de los tejidos.

FUNCIONES DEL SISTEMA RESPIRATORIO

1. Intercambio de gases entre la atmósfera y la sangre.

2. Regulación de pH corporal (junto con el sistema renal).

3. Protección ante patógenos inhalados y sustancias irritantes.

4. Vocalización.

COMPONENTES DEL SISTEMA RESPIRATORIO

1. Tórax.

2. Pulmón.

3. Vías aéreas.



4

Existe una estructura denominada pleura que rodea el pulmón y lo protege del roce contra la

pared torácica. Está formado por una doble membrana (pleura visceral, pleura parietal) que

contiene un espacio pleural lleno de líquido. No es un espacio gaseoso.

En condiciones de reposo, se dan

procesos de retracción elástica

tanto por la pared torácica comopor el pulmón. En el caso de la

pared torácica, este retroceso

elástico intenta tirar de la pared

del pecho hacia afuera. En el

caso de los pulmones, este

retroceso elástico crea una fuerza

interna. La acción en conjunto de

estos dos fenómenos permiten la formación de una presión negativa en el espacio pleural,

ejerciendo una presión subatmosférica. En la imagen, la retracción elástica de la pared se

visualiza como flechas hacia el exterior del pulmón, mientras que la tracción elástica de los

pulmones se ven como flechas hacia adentro.

Para explicar la anatomía de la pleura y su

relación con los pulmones, basta imaginar a

la pleura como un globo de agua que se

empieza a envolver alrededor de un globo

lleno de aire, que en este caso representa

el pulmón. La pleura, entonces, consta de

una estructura formada por una doble

membrana llena de fluidos, que se encarga de proteger al pulmón del roce que pueda

provocarse por el contacto directo con los elementos que forman la pared torácica.

MÚSCULOS USADOS EN EL PROCESO DE VENTILACIÓN

La ventilación consta de dos procesos:

inspiración y espiración.

Durante la inspiración el aire entra dentro del

organismo. Se clasifica en inspiración activa y

en reposo. Durante la espiración el aire sale

del organismo, clasificándose de la misma

manera que en la inspiración. En ambos

casos se usan músculos distintos para llevar

a cabo esos procesos:



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En la inspiración activa, actúa el diafragma, intercostales externos, escalenos y los

esternocleidomastoideos. En la inspiración en reposo, actúa únicamente el diafragma.

En la espiración activa, actúan los músculos intercostales internos y los músculos

abdominales, mientras que en la espiración en reposo no actúa ningún músculo. Esto

permite que en condiciones de reposo no se gaste más ATP del necesario: Al no contraerse

ningún músculo durante esta espiración no se requiere gasto energético.

Relacionando estos procesos con el movimiento diafragmático y las variaciones de volumen

y presión torácica, se concluye que:

En condiciones de reposo el diafragma se encuentra relajado y el volumen torácico

tiene unos valores determinados.

En la inspiración, se contrae el diafragma y desciende, lo que conlleva a un aumento

del volumen torácico y a una disminución de la presión intratorácica.

En la espiración, se relaja el diafragma y asciende, lo que

conlleva a una disminución del volumen torácico yaumento de la presión intratorácica.

VÍAS AÉREAS EN GENERAL

Se clasifican en vías aéreas superiores e inferiores. A su vez, se

conoce funcionalmente una zona de conducción que está

constituida por las vías respiratorias a través de las cuales

discurre el aire hasta la zona respiratoria, que es la región en la

que tiene lugar el intercambio de gases. Los elementos que

forman la zona de conducción y respiratoria se observan en la

imagen a la derecha.

VÍAS AÉREAS SUPERIORES

Tienen una superficie extensa, irregular y muy vascularizada.

Producto de estas irregularidades, se produce un flujo turbulento

y aumento de la resistencia al flujo del aire. Estos son procesos físicos que actúan de la

misma manera que en el sistema cardiovascular.

Desempeñan funciones de conducción, acondicionamiento y purificación del aire. Estos

procesos hacen referencia al calentamiento del aire, su humidificación y filtrado.

VÍAS AÉREAS INFERIORES (INTRATORÁCICAS)

Incluye las vías extrapulmonares e intrapulmonares. Las extrapulmonares llegan hasta la

entrada de los bronquios principales en los pulmones, y las intrapulmonares incluyen todas

las ramificaciones del árbol bronquial.



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El sistema pulmonar se asemeja mucho al sistema cardiovascular en cuanto a su

organización . A medida que se avanza, empieza a aumentar el área de seccióntransversal hasta llegar a los alvéolos. Esto permite que disminuya el flujo de lo que esté

pasando por esos compartimientos, en este caso disminuyendo el flujo de aire. Esto permite

que el aire pase el tiempo necesario para que se dé el intercambio gaseoso.

Como se ve en el gráfico, el área de sección

transversal tiende a aumentar a medida que se avanza

en las distintas generaciones de la vía aérea. Se nota

también como la zona de conducción posee una menor

área de sección transversal que la zona respiratoria, lo

que corresponde con sus funciones: en la zona de

conducción el flujo irá más rápido, mientras que en la

zona respiratoria el flujo es mucho más lento para que

se pueda dar el proceso de intercambio gaseoso deforma eficaz en el tiempo.

Muchas zonas del sistema respiratorio, a nivel histológico están constituidas por numerosos

cilios que impulsan el moco hacia las vías respiratorias superiores, desalojando así el pulmón

de microorganismos.

ORGANIZACIÓN DEL PARÉNQUIMA PULMONAR

Un lóbulo pulmonar está formado por sacos y alvéolos pulmonares, bronquios, vasos

pulmonares, nervios, linfáticos y tejido conectivo.

La membrana alveolo capi lar consta de surfactante, epitelio alveolar, espacio intersticial,

membrana basal del endotelio capilar, endotelio capilar, plasma sanguíneo y membrana del

eritrocito.

INTERCAMBIO A NIVEL DEL ALVÉOLOEn el proceso normal de intercambio gaseoso, los gases deben atravesar el endotelio del

capilar, la pared alveolar y las membranas basales de ambas estructuras.

Independientemente del gas, este debe entrar o salir del eritrocito para llegar hacia el alvéolo

o ser transportado en el eritrocito por toda la circulación hasta su sitio de utilización.



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VENTILACIÓN I

La p resión barométr ic a (PB) es la presión total de los gases que componen la atmósfera.

La PB a nivel del mar es de aproximadamente 760mmHg. Esto es debido a que las

partículas que forman los gases chocan contra los cuerpos provocando presión en contra deellos.

Como se ve en el gráfico, la presión barométrica es un valor

que va cambiando a medida que va cambiando la altura. A

mayor sea la altura en la que nos encontremos, menos será la

presión barométrica, y viceversa. Es decir, la presión

barométrica y la altura son medidas inversamente

proporcionales. Esto es debido a que existe una mayor cantidad

de capas de aire en un punto de menor altitud que en un punto

de mayor altitud. La presión atmosférica en una montaña es

menor que a nivel del mar debido a que cualquier objeto a nivel

del mar, al estar mucho más abajo, tiene que soportar más aire

encima de él.

GASES IDEALES – TEORÍA CINÉTICA

Los postulados de esta teoría son los siguientes:

1. Los gases están constituidos por moléculas que se mueven en

línea recta y al azar.

2. Este movimiento se modifica si las partículas chocan entre sí o

con las paredes del recipiente.

3. El volumen de las partículas se consideran despreciables

comparado con el volumen del gas.4. Entre las partículas no existen fuerzas repulsivas ni atractivas.

5. La energía cinética de las partículas es proporcional a la

temperatura absoluta del gas. (A medida que se aumenta la

energía calórica aumenta la cinética de las partículas)



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PRESIÓN PARCIAL DE LOS GASES (DALTON - 1805)

La presión parcial es la presión ejercida por cada gas en una mezcla de gases.

Existe presión parcial de oxígeno, nitrógeno y cualquier gas que se encuentre en una

mezcla y es independiente uno del otro.

La presión parcial ejercida por cada gas depende de su número de partículas en la

mezcla o sea de su concentración. La presión total en una mezcla gaseosa, es igual a la suma de las presiones

parciales de todos los gases (Ley de Dalton).

COMPOSICIÓN DEL AIRE ATMOSFÉRICO

El aire, en condiciones normales y sin contaminación, cuenta con la siguiente composición:

(El aire seco no posee vapor de agua, el húmedo si. La importancia de esto se explica más

adelante)

Componente Seco (Vol. %) Húmedo (Vol. %)Oxígeno 20.98 19.68

Dióxido de carbono 0.04 0.0375

Nitrógeno 78.98 74.08Vapor de agua 6.19

TOTAL 100 100

(La presión del vapor de agua depende de la temperatura y del grado de saturación del lugar.

A mayor temperatura mayor cantidad de vapor de agua y por ende mayor presión de vapor

de agua).

CÁLCULO DE LA PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS A NIVEL DEL MAR

A nivel del mar la presión barométrica o presión total de los gases

es de 760 mmHg, como se dijo anteriormente. Si tomamos por

ejemplo, el oxígeno, la concentración es de 21% aproximadamente.

Al reemplazar todos los valores en la fórmula, obtenemos el

resultado de la presión parcial de oxígeno a nivel del mar:

159.6mmHg.

En Caracas, la presión barométrica es de 700mmHg y laconcentración de oxígeno de 21%. Por ello, la presión parcial de

oxígeno es de 147mmHg (se puede aproximar a 150mmHg).

Como se ve en la imagen de la derecha, a medida que se

desciende hacia el nivel del mar aumentan las capas de aire,

ocurriendo lo contrario a medida que se aumenta la altura.



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LA PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA EN UNA MEZCLA GASEOSA

El número de moléculas de vapor de agua en el aire, depende de la temperatura. (Si

aumenta el paso de moléculas de agua de estado líquido a gaseoso, es decir, a

medida que aumenta temperatura aumenta vapor de agua)

En el pulmón y vías aéreas, el aire está 100% saturado, la temperatura es de 37

Cº, y por lo tanto el vapor de agua ejerce siempre una presión de 47 mmHg. La presión total o PB depende solamente de la altura.

La presión del vapor de agua depende de la temperatura y disminuye la presión

parcial de los otros gases. Por lo tanto, habrá que sustraerla a la presión totalcuando se quiera calcular la presión parcial de cada gas en una mezcla.

Este último punto es importante. Tanto en el cuerpo humano como el exterior, existe una

cantidad determinada de vapor de agua. Este va a actuar disminuyendo la presión parcial

de cualquier gas que se encuentre en esa mezcla. Es decir, en el pulmón y vías aéreas,

al ser la presión de vapor de agua de 47mmHg (como se dijo anteriormente), si se quiere

determinar la presión parcial de oxígeno en estas estructuras es necesario restar la

presión de vapor de agua a la presión total que se encuentre en ese compartimiento.

Para calcular la presión parcial de oxígeno en el aire húmedo del pulmón a 37Cº a nivel

del mar, teniendo en cuenta que el aire se encuentra saturado a un 100%:

LEY DE BOYLE (1676)

A temperatura constante el volumen de un gas es

inversamente proporcional a la concentración y por

lo tanto, a la presión.

Como se ve en la imagen, se tienen dos

compartimientos. En el primero, a un volumen

determinado se ejerce una presión de 100mmHg.

Cuando, en el compartimiento de la derecha se

disminuye el volumen, basándose en la teoría

• Aire seco (s in vapor de agua):

760 x 21% = 159.6 mm Hg

•

Aire húmedo s aturado 100% a 37Cº (con vapo r deagua, en cond ic iones norm ales):

(760 – PH2O) x 21%

(760 – 47 mm Hg) x 21% = 149.73



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cinética las partículas chocan con más facilidad con las paredes del compartimiento. Este

choque contra las paredes, como se dijo anteriormente, aumenta la presión en ese

compartimiento (Nótese que la presión aumenta desde 100mmHg a 200mmHg).

LEY DE GAY LUSSAC (1802) A volumen constante, la presión es directamente proporcional a la temperatura.

Esto es debido a que al aumentar la energía

calórica las partículas empiezan a moverse con

una mayor velocidad, de acuerdo con la teoríacinética. Este movimiento permite que choquen las

partículas de forma más rápida contra las paredes

del compartimiento y aumente la presión en el

mismo.

LEY DE CHARLES (1787)

A presión constante, el volumen de un gas es directamente

proporcional a la temperatura.

El aumento de la cinética de las partículas gracias al aumento de

temperatura permite que aumente el volumen porque la presión seha ajustado experimentalmente para que no varíe.

LEY COMBINADA O DE LOS GASES

Al combinar las tres leyes antes mencionadas, se pudo formular la siguiente ecuación:

En donde P es presión, V es volumen, n es número de moles, R es constante de los gases y

T es temperatura.

Expresa que un mol de cualquier sustancia a temperatura absoluta (0 Cº o 273º kelvin), y

760mmHg de presión, ocupa 22.4 litros y contiene 6.02x1023

moléculas. Este último valor se

conoce como número d e Avog adro .



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LEY DE LOS GASES EN EL SISTEMA RESPIRATORIO

En este caso, al tener en

cuenta que la presión

atmosférica se encuentraconstante, va a entrar o

salir aire dependiendo de

la presión dentro del tórax.

Es por ello que en el

momento de la

inspiración, al expandir la

cavidad torácica,

disminuye la presión en el

interior por el descenso del

diafragma y por ende el aire puede entrar por un proceso de convección hacia los pulmones.En el caso contrario de la espiración, los gases entran a los pulmones porque empieza a

reducirse el tamaño de la cavidad torácica, aumentando su presión y por ende el gradiente

de presión implica que este salga hacia el exterior. En ambos casos, el aire se mueve a favor

de su gradiente de presión.

LA DIFUSIÓN

Un gas en el alvéolo tiene que atravesar componentes

sólidos, llegar a un líquido que es el plasma (líquido) y luego

entrar al eritrocito.

Los elementos funcionales y estructurales que participan en

el proceso de difusión son los que siguen:

Aire, surfactante, epitelio alveolar, espacio intersticial,

endotelio capilar, plasma, membrana del eritrocito.

LEY DE GRAHAM (1829) - LEY DE LOS GASES EN UNA FASE GASEOSA

La difusión de un gas en una fase gaseosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada

de su peso molecular.



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LEY DE HENRY (1803) - DIFUSIÓN DE LOS GASES EN UNA FASE LÍQUIDA

La cantidad de moléculas de un gas que se disuelve en un líquido (por ejemplo, oxígeno y

sangre) depende de la presión parcial del gas en la fase gaseosa y de la solubilidad del gas

en el líquido.

En la imagen se observan una serie de recipientes que contienen una fase líquida y otra fase

gaseosa. En (a) se representa un estado inicial, en la fase gaseosa la P02 es de 100mmHg, y

en la líquida de 0mmHg. En (b) empieza el proceso de difusión, en donde el oxígeno

empieza a pasar de la fase gaseosa a la líquida. En (c) se alcanza el equilibrio, en donde la

P02 en la fase gaseosa y líquida se hace exactamente igual (100mmg). Sin embargo, nótese

que esto no implica necesariamente que las concentraciones deban ser las mismas, puesto

que en la fase gaseosa es mayor que en la líquida. Esto depende, según la ley de Henry , de

la presión parcial del gas en la fase gaseosa y la solubilidad del gas en la fase líquida.

PRESIONES PARCIALES DE LOS GASES EN EL AIRE ATMOSFÉRICO

Aire seco Aire húmedoTipo de gas Volumen % Presión parcial

(mmHg)Volumen % Presión parcial

(mmHg)Oxígeno 20.98 159.44 19.68 149.59

Dióxido decarbono

0.04 0.30 0.0375 0.285

Nitrógeno 78.98 800.25 74.09 563.13

Vapor de agua - - 6.19 47

TOTAL 100 760 100 760

Nótese que un aumento de la presión de vapor disminuye la presión parcial del gas en la

mezcla.



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ESPIROMETRIA

La ventilación pulmonar puede

estudiarse registrando el

movimiento del volumen del aire

que entra y sale de los pulmones,

un método que se denominaEspirometría. Está formado por un

tambor invertido sobre una cámara

agua, con el tambor equilibrado por

un peso. En el tambor hay un gas

respiratorio, habitualmente aire u oxígeno, un tubo conecta la boca con la cámara de gas.

Cuando se respira hacia el interior y el exterior de la cámara, el tambor se eleva y desciende,

y se hace un registro adecuado en una hoja de papel en movimiento. Ese registro es un

espirograma, que se observa a continuación:

El espirograma se divide en cuatro vo lúmen es y cuatro capacidades , que son el promedio

para un varón adulto joven.

Los volúmenes pulm onares , al sumarse, son iguales al volumen máximo al que se pueden

expandir los pulmones.

1. El volumen corriente es el volumen de aire que se inspira o se espira en cadarespiración normal, es igual a aproximadamente 500ml (único valor importante para

recordar).

2. El volumen de reserva inspiratoria es el volumen adicional de aire que se puede

inspirar desde un volumen corriente normal y por encima del mismo cuando la

persona inspira con una fuerza plena, habitualmente es igual a aproximadamente

3000ml.



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3. El volumen de reserva espiratoria es el volumen adicional máximo de aire que se

puede espirar mediante una espiración forzada después del final de una espiración a

volumen corriente normal, normalmente es igual a aproximadamente 1100ml.

4. El volumen residual es el volumen de aire que queda en los pulmones después de la

espiración más forzada, este volumen es en promedio de aproximadamente 1200ml.

En cuanto a las capacidades pulm onares , en la descripción de los acontecimientos del ciclopulmonar a veces es deseable considerar dos o más de los volúmenes combinados. Estas

consideraciones se denominan capacidades pulmonares.

1. La capacidad inspiratoria es igual al volumen corriente más el volumen de reserva

inspiratoria. Aproximadamente 3500 ml de aire representa la cantidad que una

persona puede inspirar, comenzando en el nivel espiratorio normal y distendiendo los

pulmones hasta la máxima capacidad.

2. La capacidad residual funcional es igual al volumen de reserva espiratoria más el

volumen residual . Es la cantidad de aire que queda en los pulmones al final de la

espiración normal, unos 2300ml.3. La capacidad vital es igual al volumen de reserva inspiratoria más el volumen

corriente más el volumen de reserva espiratoria. Es la cantidad máxima de aire que

puede expulsar una persona desde los pulmones hasta su máxima dimensión y

después espirando la máxima cantidad, aproximadamente unos 4600ml

4. La capacidad pulmonar total es el volumen máximo al que se pueden expandir los

pulmones con el máximo esfuerzo posible, unos 5800ml. Es igual a la capacidad vital

más el volumen residual.

Es importante acotar que todos los volúmenes y capacidades pulmonares son

aproximadamente un 20 a 25% menores en mujeres que en varones, y son mayores enpersonas de constitución grande y atléticas que en personas de constitución pequeña y

asténicas.

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