Fisiología Respiratoria Humana: Procesos Clave, Transporte de Gases y Regulación

El Sistema Respiratorio: Funciones y Componentes Esenciales

La respiración es un proceso vital que proporciona oxígeno (O2) a los tejidos del cuerpo y extrae dióxido de carbono (CO2). Este complejo mecanismo se lleva a cabo gracias a la interacción del sistema cardiovascular, el sistema nervioso y, fundamentalmente, el aparato respiratorio.

Funciones Principales del Aparato Respiratorio

• Intercambio Gaseoso: Principal función, donde el O2 entra a la sangre y el CO2 sale.
• Regulación del pH: A través del control de los niveles de CO2 en la sangre.
• Fonación: Producción de sonidos al pasar el aire por las cuerdas vocales.
• Olfato: Percepción de olores gracias a los receptores en la cavidad nasal.
• Protección: Filtración de partículas y microorganismos del aire inhalado.

Zonas del Aparato Respiratorio

El aparato respiratorio se divide en dos zonas principales, cada una con funciones específicas:

Zona de Conducción

Esta zona es responsable de conducir, calentar, humidificar y filtrar el aire desde el exterior hasta los pulmones. Se extiende desde la nariz hasta los bronquiolos terminales e incluye las siguientes estructuras:

• Nariz y Faringe
• Laringe: Contiene la epiglotis, que evita el paso de alimentos a la tráquea.
• Tráquea
• Bronquios Principales (derecho e izquierdo)
• Bronquiolos (hasta los bronquiolos terminales)

Zona Respiratoria

Aquí es donde ocurre el intercambio de gases. Está compuesta por:

• Bronquiolos Respiratorios
• Conductos Alveolares
• Sacos Alveolares
• Alvéolos

Los Alvéolos

Los alvéolos son las unidades funcionales donde se produce el intercambio gaseoso. Están formados por:

• Células Tipo I (Neumocitos Tipo I): Responsables del intercambio gaseoso.
• Células Tipo II (Neumocitos Tipo II): Secretan una sustancia tensioactiva (dipalmitoilfosfatidilcolina) que evita la atracción de las moléculas de agua, manteniendo el alvéolo distendido y previniendo su colapso.
• Macrófagos Alveolares: Células de defensa que fagocitan partículas extrañas.

Leyes Fundamentales de los Gases en la Respiración

El comportamiento de los gases en el sistema respiratorio se rige por varias leyes físicas:

• Ley de Boyle: Establece que, a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión (a mayor volumen, menor presión; a menor volumen, mayor presión).
• Ley de Dalton: La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases que la componen.
• Ley de Henry: La solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas sobre el líquido.

Procesos Clave de la Respiración

Ventilación Pulmonar

Es el proceso de entrada y salida de aire del aparato respiratorio. La presión atmosférica es de aproximadamente 760 mmHg. Durante la ventilación, la presión intrapulmonar varía:

• Inspiración: Proceso activo. Se produce por la contracción del diafragma y los músculos intercostales externos, lo que aumenta el volumen torácico y disminuye la presión intrapulmonar (aproximadamente 757 mmHg), permitiendo la entrada de aire.
• Espiración: Puede ser pasiva o forzada.
  • Pasiva: Relajación de los músculos inspiratorios, lo que disminuye el volumen torácico y aumenta la presión intrapulmonar, expulsando el aire.
  • Forzada: Implica la contracción de músculos accesorios (abdominales, intercostales internos) para una exhalación más potente.

Difusión Gaseosa

Es el intercambio de gases (O2 y CO2) entre los alvéolos y la sangre, y entre la sangre y los tejidos. Los gases se mueven de una zona de mayor presión parcial a una de menor presión parcial.

• En los Alvéolos: El O2 pasa del alvéolo (mayor PO2) a la sangre capilar pulmonar (menor PO2). El CO2 pasa de la sangre (mayor PCO2) al alvéolo (menor PCO2).
• En los Tejidos: El O2 pasa de la sangre capilar sistémica (mayor PO2) a los tejidos (menor PO2). El CO2 pasa de los tejidos (mayor PCO2) a la sangre (menor PCO2).

Membrana Respiratoria

La difusión de gases ocurre a través de una fina barrera conocida como membrana respiratoria, compuesta por:

1. Capa de líquido con surfactante.
2. Epitelio alveolar (neumocitos Tipo I).
3. Membrana basal del epitelio alveolar.
4. Espacio intersticial.
5. Membrana basal del endotelio capilar.
6. Endotelio capilar.

Cambios en las Presiones Parciales de Gases

Las presiones parciales de O2 y CO2 varían a lo largo del sistema circulatorio:

• Sangre Arterial (post-pulmonar): PO2 de aproximadamente 104 mmHg.
• Sangre que llega al Corazón (mezcla con sangre de circulación coronaria): PO2 de aproximadamente 95 mmHg.
• Paso de O2 al Tejido: La PO2 en los tejidos es de aproximadamente 40 mmHg, lo que facilita la liberación de O2 desde la sangre.
• Producción de CO2 en Tejidos: La PCO2 en los tejidos es de aproximadamente 45 mmHg.
• Paso de CO2 a la Sangre Venosa: La PCO2 en la sangre venosa es de aproximadamente 45 mmHg, mientras que en la sangre arterial es de 40 mmHg.

Curva de Saturación de Hemoglobina

Esta curva describe la relación entre la presión parcial de oxígeno (PO2) y el porcentaje de saturación de la hemoglobina con oxígeno.

• En la arteria, con una PO2 de 95 mmHg, la hemoglobina está saturada casi al 100%.
• En los tejidos, donde la PO2 es de 40 mmHg, la hemoglobina está saturada entre el 80% y 90%, liberando O2 a las células.
• Cuando la PO2 desciende a 60 mmHg, se disparan alarmas fisiológicas para aumentar el intercambio gaseoso y el O2 en sangre, ya que la saturación de hemoglobina comienza a caer drásticamente por debajo de este punto.

Transporte de Gases en la Sangre

Transporte de Oxígeno (O2)

1. El O2 del alvéolo difunde al vaso sanguíneo.
2. Debido a la mayor PO2 en el plasma, el O2 se une a la hemoglobina dentro de los glóbulos rojos.
3. El O2 viaja principalmente de dos formas:
   • 3% disuelto en el plasma.
   • 97% unido a la hemoglobina (formando oxihemoglobina).
4. Al llegar a los tejidos, donde la PO2 es menor, la unión del O2 con la hemoglobina se rompe.
5. El O2 se disocia de la hemoglobina y pasa al tejido para ser utilizado en el metabolismo celular.

Transporte de Dióxido de Carbono (CO2)

El CO2 se transporta en la sangre de tres formas principales:

1. Disuelto en Plasma (7-10%): Una pequeña porción de CO2 viaja libremente disuelta en el plasma.
2. Como Compuesto Carbamínico (20-30%): El CO2 se une a los grupos amino (-NH2) libres terminales de las cadenas polipeptídicas de la hemoglobina (formando carbaminohemoglobina) y otras proteínas plasmáticas.
3. Como Bicarbonato (HCO3-) (60-70%): Es la forma más importante de transporte de CO2.
   • El CO2 producido en los tejidos difunde al vaso sanguíneo y entra al glóbulo rojo.
   • Dentro del glóbulo rojo, el CO2 se une al agua (H2O) y, por acción de la enzima anhidrasa carbónica, se forma ácido carbónico (H2CO3).
   • El ácido carbónico se disocia rápidamente en un ion hidrógeno (H+) y un ion bicarbonato (HCO3-).
   • El bicarbonato (HCO3-) sale del glóbulo rojo hacia el plasma a cambio de un ion cloruro (Cl-) (fenómeno conocido como 'intercambio de cloruro' o 'efecto Hamburger'). El H+ se queda dentro del glóbulo rojo y es amortiguado por la hemoglobina.
   • El bicarbonato viaja en el plasma hasta los pulmones.
   • En los pulmones, el bicarbonato entra de nuevo al glóbulo rojo (a cambio de Cl-).
   • Dentro del glóbulo rojo, el bicarbonato se une al H+ suelto (liberado por la hemoglobina al unirse al O2) para formar nuevamente ácido carbónico.
   • El ácido carbónico se disocia en agua y CO2, que luego difunde fuera del glóbulo rojo y del capilar pulmonar hacia el alvéolo para ser exhalado.

   Importante: Si hay un aumento de CO2, hay un aumento de hidrogeniones (H+), lo que se conoce como efecto amortiguador (buffer), fundamental para mantener el pH sanguíneo.

Regulación de la Respiración

La respiración está finamente regulada por el sistema nervioso para adaptarse a las necesidades metabólicas del cuerpo.

Centros Respiratorios Bulbares

Ubicados en el bulbo raquídeo, son los más importantes:

• Centro Respiratorio Ventral: Principalmente involucrado en la inspiración y espiración forzada.
• Centro Respiratorio Dorsal: Principalmente involucrado en la inspiración rítmica básica.

Otros Centros Respiratorios

• Centro Apnéustico: Ubicado en la protuberancia, estimula la inspiración prolongada (ej. jadeo en perros).
• Centro Neumotáxico: Ubicado en la protuberancia, inhibe la inspiración, promoviendo inspiraciones cortas y espiraciones más largas.

Quimiorreceptores

Detectan cambios en los niveles de O2, CO2 y pH en la sangre y el líquido cefalorraquídeo, enviando señales a los centros respiratorios para ajustar la ventilación.

• Quimiorreceptores Centrales: Ubicados en el bulbo raquídeo, son muy sensibles a los cambios en la PCO2 y el pH del líquido cefalorraquídeo.
• Quimiorreceptores Periféricos: Ubicados en los cuerpos carotídeos y aórticos, son sensibles a los cambios en la PO2 (principalmente cuando es muy baja), PCO2 y pH sanguíneo.

Condiciones Relacionadas con la Respiración

Asfixia

Es una condición grave caracterizada por la combinación de hipoxia (falta de O2) e hipercapnia (exceso de CO2) en el cuerpo, debido a una interrupción en el intercambio gaseoso.

Hipoxia

Se refiere a la falta de oxígeno adecuado en los tejidos. Existen varios tipos:

• Hipoxia Hipóxica: Baja PO2 en la sangre arterial (ej. gran altitud, problemas pulmonares).
• Hipoxia Anémica: Capacidad reducida de la sangre para transportar O2 (ej. anemia, intoxicación por CO).
• Hipoxia Isquémica (o Estancada): Flujo sanguíneo insuficiente a los tejidos (ej. insuficiencia cardíaca, shock).
• Hipoxia Histotóxica: Incapacidad de las células para utilizar el O2 disponible (ej. envenenamiento por cianuro).