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BASES FÍSICAS DE LA
RESPIRACIÓN
ORGANIZACIÓN DEL
SISTEMA RESPIRATORIO
1
Miryam Romero R. MSc. PhD.
Profesora de Fisiología
Departamento de Ciencias Fisiológicas
Universidad del Valle
FISIOLOGÍA COMPARATIVA DE LA
RESPIRACIÓN
La respiración externa implica el intercambio de
O2 y CO2 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
• 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 (CO2).
• Luego Cavendish demostró que la fermentación y la
putrefacción producen CO2.
• 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.
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• Hacia 1775, Lavoisier renombró este nuevo gas como
oxígeno (O2), 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 O2 y la
producción de CO2 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 O2 y la producción de CO2 (respiración
interna o fosforilación oxidativa).
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El estudio de la respiración externa
implica entonces comprender el
transporte de O2 de la atmósfera a
la mitocondria, el transporte de
CO2 desde la mitocondria hacia la
atmósfera y la relación de estos
procesos con la homeostasis ácido-
base.
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
Difusión de Co2 y 02 en un organismo unicelular
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• La difusión simple es el mecanismo por el cual el O2 y el CO2 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.
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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
• 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 O2. Tasa de 16:1.
• En condiciones STPD el aire contiene 210 ml de O2/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
• Esta situación se da a una ventilación alveolar de 4000 ml/min, una PO2
alveolar de 100 mm Hg versus una de 149 mm Hg en la atmósfera
húmeda a 37 grados centígrados y una PCO2 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 PO2 en el fluido interno sea uniforme y así maximiza el
flujo de O2 y CO2 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 O2 que difunde de los
espacios aéreos alveolares a la sangre de los capilares pulmonares.
• Igualmente juega un papel importante en el transporte de CO2 ligándolo
de manera reversible (20%) y actuando como un poderoso amortiguador
de protones. El CO2 es 23 veces mas soluble en agua que el O2.
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COMPOSICIÓN DEL AIRE
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PRESIONES PARCIALES Y VAPOR DE AGUA
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PRESIONES PARCIALES
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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
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
150 – 100 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 CO2 y O2 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 m2. 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
ANATOMÍA
DEL
PULMÓN
VÍAS AÉREAS
SUPERIORES:
NARIZ, SENOS
PARANASALES,
LARINGE Y
CUERDAS
VOCALES
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ANATOMÍA
DEL
PULMÓN
VÍAS AÉREAS
INFERIORES:
TRÁQUEA,
BRONQUIOS,
BRONQUIOLOS
Y UNIDAD
RESPIRATORIA
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ANATOMÍA DEL PULMÓN SEGMENTO BRONCOPULMONAR O UNIDAD
ANATÓMICA FUNCIONAL
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ANATOMÍA DEL PULMÓN
Vías conductivas y unidades alveolares del pulmón
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ANATOMÍA DEL PULMÓN
Vía aérea desde el bronquiolo terminal hasta el alvéolo
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ANATOMÍA DEL PULMÓN
Alvéolos: la unidad respiratoria terminal consta de alvéolos (A) y ductos
alveolares (AD) que surgen de un bronquiolo respiratorio
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IRRIGACIÓN SANGUÍNEA DEL PULMÓN Circulaciones pulmonar y bronquial
Pared alveolar mostrando una densa red de capilares
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IRRIGACIÓN SANGUÍNEA DEL PULMÓN Circulaciones pulmonar y bronquial
Relación anatómica entre arteria pulmonar, arteria bronquial, vías
aéreas y linfáticas
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FLUJO
SANGUÍNEO
DE LAS VÍAS
AÉREAS
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INERVACIÓN
DE LOS
PULMONES
Inervación
autonómica
(sensorial y
motora) y
somática
(motora) de
músculos
intercostales y
diafragma 28
INERVACIÓN DE LOS PULMONES Resumen esquemático de la inervación de las vías aéreas
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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
MÚSCULOS
DE LA
RESPIRACIÓN
Diafragma,
intercostales
externos,
escaleno
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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.
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VIAS RESPIRATORIAS
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VIAS AÉREAS; VELOCIDAD Y ÁREA
AGREGADA
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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 O2 es mayor. A
medida que la sangre se calienta el O2 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
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Manejo de agentes por parte de la
circulación pulmonar
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Convenciones de símbolos en Fisiología Respiratoria
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