Ventilación pulmonar inspiración y espiración

Fisiología del Sistema Respiratorio

Breve visión anatómica del sistema respiratorio

La captación y expulsión de gases procesados por el organismo recorre los mismos caminos. Es decir, el oxígeno que llega a los pulmones pasa por los mismos conductos por los que el CO₂ es eliminado hacia medio ambiente. La nariz y la boca son las principales vías de captación y salida de los gases. Unidas al fondo de la fauces por las coanas el aire ingresa a un conducto breve, la faringe, que es común tanto al sistema respiratorio como al digestivo. Casi de inmediato se produce la bifurcación de ambos sistemas en un conducto propio de la respiración, la laringe, y otro exclusivo del sistema digestivo que cursa por detrás de la laringe, llamado esófago.

Siendo la función de la laringe iniciar la conducción de aire a los pulmones, cumple también un papel de filtración y bloqueo de elementos que, destinados al tubo digestivo, pudieran intentar ingresar a los conductos respiratorios. Esto se consigue mediante una estructura llamada epiglotis que tapa la entrada de la laringe durante el proceso de deglución. La laringe está constituida, como el resto de las vías de conducción, de tejido cartilaginoso en forma de anillos que permite mantener permanentemente abiertos estos tubos. Los cartílagos en la laringe, cricoides, aritenoides, corniculado entre otros, se modifican para formar los órganos de fonación fundamentales para la voz.

La laringe casi de inmediato se abre hacia el siguiente conducto que es la tráquea con una longitud cercana a los 10 centímetros con unos 20 anillos cartilaginosos flexibles y que en la cavidad toráxico se bifurca en los dos bronquios que se dirigen cada uno a un pulmón. Casi todos estos conductos, llamados espacio muerto o zona conductora, están revestidos de tejido muscular liso inervado por el sistema nervioso neurovegetativo, con epitelio generalmente ciliado y secretor de mucus cuya función, además de la lubricación, es detener partículas que eventualmente puedan ingresar al sistema junto con el aire.

Los bronquios son conductos destinados a ramificarse entre el tejido pulmonar para dar origen a conductos más pequeños que son los bronquiolos, de estructura microscópica, que desembocan en sacos ciegos de tejido epitelial extremadamente delgado llamados alvéolos.
En el punto de uníón de los bronquiolos con los alvéolos ya se comienza a producir la hematosis, que es el intercambio gaseoso con la sangre, aunque de manera todavía limitada. A este tramo de los bronquíolos se denomina la zona de transición.

Los alvéolos constituyen la zona respiratoria propiamente tal donde la hematosis es intensa. Los alvéolos son sacos terminales de los bronquiolos caracterizados por una delgada capa epitelial representada por los llamados neumocitos I, que representan el 94% aproximado de todos los neumocitos y son los responsables de la hematosis, y los neumocitos II que en un número de 6 a 7% se encargan de producir un líquido, el surfactante pulmonar, cuya función es evitar la atelectasia, es decir el colapso alveolar manteniendo a estos sacos expandidos aminorando la tensión superficial que podría adherir sus paredes.

El tejido interpuesto entre alvéolos presenta poros (poros de Kohn) que permiten circulación de aire extra alveolar que ayuda también a evitar un fenómeno atelectásico, además de fibra elástica que permite la contracción en la espiración y macrófagos que impiden la proliferación de partículas y gérmenes que intentan invadir las paredes pulmonares.

Los pulmones albergan unos 300 x 10⁶ alvéolos distribuidos en ambos pulmones, el derecho que presenta tres lóbulos, superior, medio e inferior, y el pulmón izquierdo con sólo dos lóbulos, superior e inferior.

Mecánica respiratoria

Si bien es cierto que la función pulmonar es controlada por el sistema nervioso central, el resultado de la misma, es decir la entrada de aire a los pulmones llamada inspiración, y la salida llamada espiración, es el resultado de un juego de presiones en las que participan la presión atmosférica (PA), la presión intraalveolar o presión pulmonar (PP) y la presión toráxica (PT), todas siglas arbitrarias para facilitar la explicación que sigue.

Presión atmosférica (PA).-

Básicamente corresponde al peso del aire atmosférico sobre la superficie de la tierra y cuya medición científica se debe a las experiencias de Torricelli y Pascal. En homenaje a este último la unidad de medida se expresa hoy en pascales (Pa). El peso del aire a nivel del mar equivale aproximadamente a 1.013 hectopascales (hPa), peso suficiente para elevar una columna de Hg a 760 mílimetros aprox. Esta presión permite que el aire se introduzca en cualquier cavidad en contacto con la atmósfera, incluidos los conductos del sistema respiratorio humano.

Presión intrealveolar p pulmonar (PP).-

Es la presión que ejerce el aire que llega a los alvéolos contra las paredes de estos. En teoría debiera ser igual a la presión atmosférica ya que los alvéolos se comunican con el exterior a través de los conductos superiores. Sin embargo, cada vez que se produce una inspiración, el aire que ingresa se encuentra con una cantidad detenida en el espacio muerto que ha quedado de la espiración anterior y que ofrece una resistencia por inercia que le resta fuerza a la presión atmosférica dejándola en un valor aproximado de 500 milímetros de Mercurio.

Presión toráxica (PT).-

Es la presión, ejercida contra las paredes de los pulmones en la caja toráxica, es variable en función de la superficie del espacio intrapleural que cambia según la mecánica respiratoria.

Las pleuras son dos capas membranosas que cubren a los pulmones (pleura visceral)
para luego recubrir internamente la cavidad toráxica (pleura parietal).
Entre ambas queda un espacio llamado cavidad pleural con presencia de pequeñas cantidades de líquido.

En la mecánica ventilatoria participan de manera especial músculos comprendidos en el área toracoventral y dorsal, como el esternocleidomastoídeo, los intercostales internos y externos y el diafragma, todos los cuales determinan la entrada y salida de aire de los pulmones.   

La contracción de músculos que amplían la cavidad toráxica, como por ejemplo los intercostales externos que tiran de las costillas hacia fuera y del diafragma que abandona su posición normal curvada hacia arriba aplanándose, provoca que la PT se haga inferior a la atmosférica (PA) lo que permite el ingreso de aire a los alvéolos que se inflan produciendo la inspiración.  El cierre de las costillas provocada en parte de manera pasiva al dejar de estimularse los músculos inspiratorios, el retorno del diafragma a su posición normal, así como el estímulos sobre los intercostales internos, provoca el aplastamiento del tejido elástico pulmonar elevando la PT a un grado mayor que la PA expulsando el aire en el fenómeno llamado de espiración.

VolúMenes pulmonares

Con cada inspiración ingresan alrededor de 500 ml de aire a lo que se le llama volumen corriente (VC). Todo el aire posible de contener en los pulmones se le denomina capacidad pulmonar total (CPT). Luego de botar todo el aire posible en una espiración forzada, queda un volumen imposible de movilizar cuyo fin es mantener semi inflados los pulmones evitando el colapso alveolar, Ese volumen permanente recibe el nombre de volumen residual.

Las cantidades de aire que ingresan y egresan de los pulmones en un respiración normal (no forzada) reciben el nombre de volumen respiratorio de reposo (VRR o VV) Sobre ese valor es posible ingresar de manera forzada mayor cantidad de aire lo que recibe el nombre de volumen de reserva inspiratoria (VRI). De igual forma, es posible expulsar más aire de lo normal en una espiración forzada, lo que se denomina volumen de reserva espiratorio (VRE) Los valores para estos volúMenes, que se pueden medir en un aparato llamado espirómetro, varían según el sexo, edad, talla o peso del individuo.

El volumen minuto corresponde a la cantidad de aire que transcurre por los pulmones en la frecuencia respiratoria (10 a 15 respiraciones por minuto, cada una con su correspondiente inspiración y espiración); que equivale a 6-8 litros/min. A eso hay que descontar el aire que no se renueva y que queda detenido en el espacio muerto y que corresponde aproximadamente a 150 mL por lo tanto la ventilación alveolar (VA) efectiva es más o menos de 4.2 a 5.6 litros/min.

Ventilación, difusión y perfusión

 Desde un punto de vista simplificado y resumido, se puede definir la ventilación como la oferta de aire que el pulmón hace a la sangre en los alvéolos, la difusión como el paso del O2 y el CO2 por las membranas del endotelio del vaso sanguíneo y el epitelio del alveolo, en tanto que la perfusión es la capacidad de la sangre de tomar el oxígeno ofrecido. En una situación normal la relación ventilación/perfusión (V/Q)
se aproxima a 1, es decir la sangre toma la casi totalidad del oxígeno ofrecido (97.5 en el punto arterial).

La ventilación.-

La composición del aire atmosférico es en su gran mayoría N₂ (79%) y que no participa en la fisiología respiratoria. El resto es el O₂que equivale al 20.96% y el 0.04% al CO₂.
La composición del aire alveolar es diferente a la atmosférica pues varía por el aumento del CO₂ y el vapor de agua que se expulsa desde la sangre hacia el alveolo, quedando aproximadamente en un 75.3% para el N₂, un 13.2 para el O₂, un 5.3 para el CO₂ y 6.2 para el H₂O.

Ya se dijo más arriba que la presión del aire atmosférico a nivel del mar es de 760 mm de Hg de los cuales un quinto corresponde al O₂, es decir unos 150 a 160 mm de Hg. Como la presión intra alveolar del aire se reduce a aproximadamente 500 mm de Hg debido a la resistencia del aire detenido en el espacio muerto, la presión intra alveolar del O₂ será más o menos de 100 mm de Hg. Y que corresponde a la ventilación alveolar normal a nivel del mar y en condiciones de temperatura también normales.

La presión del oxígeno puede variar según la altura a la que se encuentra el individuo al variar la presión atmosférica o por anomalías del árbol respiratorio, como muestra la figura anterior, en las llamadas enfermedades pulmonares obstructivas y restrictivas que alteran el intercambio gaseoso en los alvéolos

La perfusión.-

Como se dijo es el flujo de sangre que acude a la red capilar que rodea a los alvéolos. El sistema vascular se coordina dentro de ciertos parámetros para mantener una relación V/Q óptima igual a 1. Por ejemplo, frente a una ventilación disminuida en un área alveolar definida (v.G. Una atelectasia localizada), es decir frente a una menor cantidad de oxígeno ofrecido al alveolo, menos de 70 mm de Hg de PAO₂ (Presión alveolar de oxígeno), se produce una vasocontricción de la arteria que irriga la regíón afectada disminuyendo la cantidad de sangre para mantener la relación V/Q normal. De lo contrario se produciría una relación aumentada, vale decir una mayor cantidad de sangre respecto a la oferta de oxígeno.

 La cantidad de sangre que circula por los pulmones proveniente de la arteria pulmonar, depende de varios factores, entre ellos de la función del ventrículo derecho, del retorno venoso a ambas aurículas, del estado del tejido vascular tanto en arterias como en capilares e incluso de la circulación linfática. Cualquier anomalía en estos aspectos puede conducir a una relación disminuida, es decir una oferta normal de oxígeno, pero una deficiencia en la capacidad de la sangre para tomar ese oxígeno, lo que corresponde más bien a la fisiopatología del sistema circulatorio.

Indice de saturación de la hemoglobina

Saturación con O2.-

La hemoglobina es una compleja molécula proteica representada básicamente por un catión ferroso al que se agregan cuatro núcleos hem de porfirina vía nitrógeno, completando la molécula cuatro cadenas polipeptídicas.
Existe una cantidad grande de estas moléculas en los glóbulos rojos (aprox. 270 millones por cada eritrocito). Su función es unirse al O₂ en los pulmones formando la oxihemoglobina, Hb(O₂)₄, y en parte, con el dióxido de carbono, HBCO₂ , en los tejidos (carbohemoglobina).

La saturación de la hemoglobina con oxígeno depende de la presión del O₂, siendo su máximo valor 100 mm de Hg como se dijo, en los pulmones, lo que se denomina punto arterial.
Como la relación V/Q tiende a 1, casi el 100% de ese oxígeno se combina con la hemoglobina como oxihemoglobina.
En cifras concretas, por cada 100 ml de sangre, ingresan 19.5 ml de O₂ que corresponden a una saturación normal. El valor más bajo de la presión del oxígeno se obtiene en el llamado punto venoso en la salida de las venas cavas, y equivale a 40 mm de Hg con una saturación de 15.12 ml de O₂ por cada 100 ml de sangre.

Cabe observar entonces que sólo una cuarta parte del oxigeno ingresado se queda en los tejido (4.68 ml por cada 100 ml de sangre), retornando las tres cuartas partes a los pulmones. El total teórico de O₂ útil es por lo tanto de 234 ml en los 5 litros de sangre correspondiente al total normal de sangre de un individuo.

Saturación con CO2

_.- Sigue parámetros diferentes. En los tejidos el anhídrido carbónico resultante de las descarboxilaciones oxidativas del metabolismo basal, abandona las células por difusión reaccionando débilmente con el agua presente en el LEC (líquido extracelular) formando ácido carbónico:

Este ambiente ligeramente ácido (efecto Bohr) hace al oxígeno perder afinidad por la hemoglobina soltándola. Aproximadamente un 93% del CO2 ingresa a los glóbulos rojos en donde un 70% reacciona con el agua en presencia de la anhidrasa carbónica formando ácido carbónico. Este compuesto se disocia de inmediato en el ión bicarbonato (HCO₃^-) más protones hidrógeno ( H⁺). Los iones bicarbonato abandonan los glóbulos rojos y viajan hacia los pulmones disueltos en el plasma, en tanto que los protones H⁺ son neutralizados por los grupos amino de los aminoácidos de la hemoglobina (acción buffer).

El 7% aproximado de CO₂ que no ingresó a los eritrocitos reacciona con las proteínas plasmáticas de la sangre mediante uniones carbamidas formando grupos carboxilos que se disocian liberando más hidrogeniones (protones hidrógenos):

 Este 7% de CO₂ viaja entonces de esta forma hacia los pulmones, vale decir en el plasma, al igual que el otro 70% que lo hace como ión bicarbonato.

Sólo un 23% aproximado del total de anhídrido carbónico de los tejidos se une a la hemoglobina (también mediante uniones carbamidas) para formar la carbohemoglobina, HbCO₂. Las razones de este bajo porcentaje de HbCO₂ se deben a que el resto de la hemoglobina permanece unida al O₂ retornando así a los pulmones.

Por último la subida presencia de cationes hidrógeno dentro de los glóbulos rojos es neutralizada con el ingreso a ellos de aniones cloruro (Cl^-), los que abandonan los eritrocitos en los pulmones permitiendo revertir todo el proceso ya descrito haciendo que los iones bicarbonato, transformados ahora en ácido carbónico al recuperar los hidrogeniones, se disocien en CO₂ más H₂O siendo ambos compuestos eliminados hacia los alvéolos.

Control del sistema respiratorio

El sistema nervioso es el principal controlador del sistema respiratorio a través del S. N. Autónomo como también del S. N. Voluntario como se vio en el curso de neurofisiología. Un breve resumen recordatorio indica la existencia del llamado patrón ventilatorio en el que participan los centros especializados del S.N. Central y los receptores encargados de informar al S.N.C. Este patrón ventilatorio comprende la regulación de la frecuencia respiratoria, de la profundidad y de la relación rítmica que se da entre inspiración/espiración.

Como se recordará los centros nerviosos que controlan al sistema respiratorio son tres y se ubican dos en el puente (metencefálicos) y que son el apnéusico y el neumotáxico, y uno en el bulbo (mielencefálico) que regula la respiración normal. En cuanto a los receptores existen los llamados de estiramiento pulmonar que se activan frente a la distensión del parénquima pulmonar, además de los quimiorreceptores periféricos  y los centrales que informan de los cambios de la presión del CO₂, de la presión del O₂ y de los cambios de la relación ácido-básica (pH) de la sangre. Los periféricos se ubican en torno al cayado de la aorta y en el seno carotídeo, en tanto que los centrales, que sólo controlan cambios de pH y presión del CO₂, están en el S. N. Central en la regíón metencefálica del tronco.