Fisiología del Sistema Respiratorio
DEFINICIÓN DEL PROCESO DE LA RESPIRACIÓN
El proceso de intercambio de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) entre la sangre y la atmósfera, recibe el nombre de respiración externa. El proceso de intercambio de gases entre la sangre de los capilares y las células de los tejidos en donde se localizan esos capilares se llama respiración interna. El proceso de la respiración externa puede dividirse en 4 etapas principales: La ventilación pulmonar o intercambio del aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares mediante la inspiración y la espiración La difusión de gases o paso del oxígeno y del dióxido de carbono desde los alvéolos a la sangre y viceversa, desde la sangre a los alvéolos El transporte de gases por la sangre y los líquidos corporales hasta llegar a las células y viceversa Y, por último, la regulación del proceso respiratorio.
VENTILACIÓN PULMONAR
Es la primera etapa del proceso de la respiración y consiste en el flujo de aire hacia
adentro y hacia afuera de los pulmones, es decir, en la inspiración y en la
espiración.
El aire atmosférico es una mezcla de gases y vapor de agua. La presión total
de una mezcla de gases es la suma de las presiones de los gases individuales. La
presión atmosférica a nivel del mar es 760 mmHg, de la que un 78% se debe a
moléculas de nitrógeno (N2), un 21% a moléculas de oxígeno (O2) y así
sucesivamente. La presión de un gas en una mezcla de gases, se llama presión
parcial de ese gas y es determinado por su abundancia en la mezcla. Para
encontrar la presión parcial, se multiplica la presión atmosférica (Patm) por la
contribución relativa del gas (%) a la mezcla de gases que constituye el aire:
Presión parcial de oxígeno (P02) = 760 mmHg x 21% = 160 mmHg
La presión parcial de los gases varía dependiendo de la cantidad de vapor de agua
del aire. El agua diluye la contribución de los gases a la presión del aire, de modo
que cuando hay mucha humedad en el aire, la presión parcial de los gases
disminuye, es decir, disminuye la cantidad de esos gases en el aire que respiramos.
Por convención, en fisiología respiratoria se considera a la presión
atmosférica como 0 mmHg. Así que cuando hablamos de una presión negativa
nos referimos a una presión por debajo de la presión atmosférica y de una presión
positiva nos referimos a una presión por encima de la atmosférica.
El flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones depende de la
diferencia de presión producida por una bomba. Los músculos respiratorios
constituyen esta bomba y cuando se contraen y se relajan crean gradientes de
presión.
Las presiones en el sistema respiratorio pueden medirse en los espacios aéreos de
los pulmones (presión intrapulmonar) o dentro del espacio pleural (presión
intrapleural). Debido a que la presión atmosférica es relativamente constante, la
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presión en los pulmones debe ser mayor o menor que la presión atmosférica para
que el aire pueda fluir entre el medio ambiente y los alvéolos.
Durante la inspiración, la contracción del diafragma y de los músculos
inspiratorios da lugar a un incremento de la capacidad de la cavidad torácica, con lo
que la presión intrapulmonar se hace ligeramente inferior con respecto a la
atmosférica, lo que hace que el aire entre en las vías respiratorias. Durante la
espiración, los músculos respiratorios se relajan y vuelven a sus posiciones de
reposo. A medida que esto sucede, la capacidad de la cavidad torácica disminuye
con lo que la presión intrapulmonar aumenta con respecto a la atmosférica y el aire
sale de los pulmones.
Como los pulmones son incapaces de expandirse y contraerse por sí mismos, tienen
que moverse en asociación con el tórax. Los pulmones están “pegados” a la caja
torácica por el líquido pleural que se encuentra entre las dos hojas pleurales, la
visceral y la parietal (es lo mismo que sucedería con dos láminas de cristal unidas
entre por una fina capa de líquido, es imposible separar entre sí esas dos láminas
de cristal, a no ser que se deslicen una sobre otra). La presión intrapleural, del
espacio intrapleural, es inferior a la atmosférica y surge durante el desarrollo, a
medida que la caja torácica con su capa pleural asociada crece más rápido que el
pulmón con su capa pleural asociada. Las dos hojas pleurales se mantienen juntas
por el líquido pleural, de modo que los pulmones elásticos son forzados a estirarse
para adaptarse al mayor volumen de la caja torácica. Al mismo tiempo, sucede que
la fuerza elástica tiende a llevar a los pulmones a su posición de reposo, lejos de la
caja torácica. La combinación de la fuerza de estiramiento hacia fuera de la caja
torácica y la fuerza elástica de los pulmones hacia adentro, crea una presión
intrapleural negativa, lo que significa que es inferior a la presión atmosférica. No
hay que olvidar que la cavidad pleural está cerrada herméticamente, de modo que
la presión intrapleural nunca se puede equilibrar con la presión atmosférica.
TRABAJO RESPIRATORIO
En la respiración normal tranquila, la contracción de los músculos respiratorios solo
ocurre durante la inspiración, mientras que la espiración es un proceso pasivo ya
que se debe a la relajación muscular. En consecuencia, los músculos respiratorios
normalmente solo trabajan para causar la inspiración y no la espiración. Los dos
factores que tienen la mayor influencia en la cantidad de trabajo necesario para
respirar son:
• la expansibilidad o compliance de los pulmones
• la resistencia de las vías aéreas al flujo del aire
La EXPANSIBILIDAD o COMPLIANCE es la habilidad de los pulmones para ser
estirados o expandidos. Un pulmón que tiene una compliance alta significa que es
estirado o expandido con facilidad, mientras uno que tiene una compliance baja
requiere más fuerza de los músculos respiratorios para ser estirado. La compliance
es diferente de la elastancia o elasticidad pulmonar. La elasticidad significa
resistencia a la deformación y es la capacidad que tiene un tejido elástico de ser
deformado o estirado por una pequeña fuerza y de recuperar la forma y
dimensiones originales cuando la fuerza es retirada. El hecho de que un pulmón sea
estirado o expandido fácilmente (alta compliance) no significa necesariamente que
volverá a su forma y dimensiones originales cuando desaparece la fuerza de
estiramiento (elastancia). Como los pulmones son muy elásticos, la mayor parte del trabajo de la respiración se utiliza en superar la resistencia de los pulmones a ser
estirados o expandidos.
Las fuerzas que se oponen a la compliance o expansión pulmonar son dos:
la elasticidad o elastancia de los pulmones ya que sus fibras elásticas resultan
estiradas al expandirse los pulmones y como tienen tendencia a recuperar su forma
y dimensiones originales, los pulmones tienden continuamente a apartarse de la
pared torácica;
la tensión superficial producida por una delgada capa de líquido que reviste
interiormente los alvéolos, que incrementa la resistencia del pulmón a ser estirado
y que, por tanto, aumenta el trabajo respiratorio para expandir los alvéolos en cada
inspiración.
Para poder realizar la inspiración con facilidad, estas dos fuerzas son
contrarrestadas por:
la presión intrapleural negativa que existe en el interior de las cavidades
pleurales y que obliga a los pulmones a seguir a la pared torácica en su expansión
(leer apartado de ventilación pulmonar)
el agente tensioactivo o surfactante que es una mezcla de fosfolípidos y
proteínas, segregada por unas células especiales que forman parte del epitelio
alveolar, los neumocitos de tipo II, y que disminuye la tensión superficial del líquido
que recubre interiormente los alvéolos. La síntesis de surfactante comienza
alrededor de la semana 25 del desarrollo fetal y cuando no se segrega, la expansión
pulmonar es muy difícil y se necesitan presiones intrapleurales extremadamente
negativas para poder vencer la tendencia de los alvéolos al colapso. Algunos recién
nacidos prematuros no secretan cantidades adecuadas de esta sustancia
tensioactiva y pueden morir por no poder expandir sus pulmones: es lo que se
llama síndrome de distrés respiratorio.
En cuanto a la RESISTENCIA DE LAS VÍAS AÉREAS AL FLUJO DEL AIRE, los factores
que contribuyen a la resistencia de las vías respiratorias al flujo del aire son:
• la longitud de las vías
• la viscosidad del aire que fluye a través de las vías
• el radio de las vías
La longitud de las vías respiratorias es constante y la viscosidad del aire también es
constante en condiciones normales, de modo que el factor más importante en la
resistencia al flujo del aire es el radio de las vías respiratorias. Si no hay una
patología de estas vías que provoque un estrechamiento de las mismas, la mayor
parte del trabajo realizado por los músculos durante la respiración normal tranquila,
se utiliza para expandir los pulmones y solamente una pequeña cantidad se emplea
para superar la resistencia de las vías respiratorias al flujo del aire.
VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES
Un método simple para estudiar la ventilación pulmonar consiste en registrar el
volumen de aire que entra y sale de los pulmones, es lo que se llama realizar una
espirometría. Se ha dividido el aire movido en los pulmones durante la respiración
en 4 volúmenes diferentes y en 4 capacidades diferentes.
Los VOLUMENES PULMONARES son:
Volumen corriente (VC): Es el volumen de aire inspirado o espirado con cada
respiración normal. El explorador dice al paciente: “respire tranquilamente”. En un
varón adulto es de unos 500 ml.
Volumen de reserva inspiratoria (VRI): Es el volumen extra de aire que puede
ser inspirado sobre el del volumen corriente. El explorador dice al paciente: “inspire
la mayor cantidad de aire que usted pueda”. En un varón adulto es de unos 3000
ml.
Volumen de reserva espiratoria (VRE): Es el volumen de aire que puede ser
espirado en una espiración forzada después del final de una espiración normal. El
explorador dice al paciente: “expulse la mayor cantidad de aire que usted pueda”.
En un varón adulto es de unos 1100 ml.
Volumen residual (VR): Este volumen no puede medirse directamente como los
anteriores. Es el volumen de aire que permanece en los pulmones al final de una
espiración forzada, no puede ser eliminado ni siquiera con una espiración forzada y
es importante porque proporciona aire a los alvéolos para que puedan airear la
sangre entre dos inspiraciones. En un varón adulto es de unos 1200 ml.
Las CAPACIDADES PULMONARES son combinaciones de 2 ó más volúmenes.
Capacidad inspiratoria (CI): Es la combinación del volumen corriente más el
volumen de reserva inspiratoria (VC + VRI). Es la cantidad de aire que una
persona puede inspirar comenzando en el nivel de espiración normal y distendiendo
los pulmones lo máximo posible. En un varón adulto es de unos 3500 ml.
Capacidad residual funcional (CRF): Es la combinación del volumen de reserva
espiratorio más el volumen residual (VRE + VR). En un varón adulto es de unos
2300 ml.
Capacidad vital (CV): Es la combinación del volumen de reserva inspiratorio más
el volumen corriente más el volumen de reserva espiratorio (VRI + VC + VRE). Es
la cantidad máxima de aire que una persona puede eliminar de los pulmones
después de haberlos llenado al máximo. El explorador dice al paciente: “inspire
todo el aire que pueda y después espire todo el aire que pueda”. La medición de la
capacidad vital es la más importante en la clínica respiratoria para vigilar la
evolución de los procesos pulmonares. En un varón adulto es de unos 4600 ml.
En esta prueba se valora mucho la primera parte de la espiración, es decir, la
persona hace un esfuerzo inspiratorio máximo y a continuación espira tan rápida y
completamente como puede. El volumen de aire exhalado en el primer segundo,
bajo estas condiciones, se llama volumen espiratorio forzado en un segundo
(FEV1, siglas en inglés). En adultos sanos el FEV1 es de alrededor del 80% de la
capacidad vital, es decir, que el 80% de la capacidad vital se puede espirar
forzadamente en el primer segundo. El FEV1 constituye una medida muy importante
para examinar la evolución de una serie de enfermedades pulmonares. En las
enfermedades pulmonares obstructivas, por ejemplo, el FEV1 está disminuido.
Capacidad pulmonar total (CPT): Es la combinación de la capacidad vital más el
volumen residual (CV + VR). Es el volumen máximo de aire que contienen los
pulmones después del mayor esfuerzo inspiratorio posible. En un varón adulto es
de unos 5800 ml.
VENTILACIÓN ALVEOLAR
La importancia final de la ventilación pulmonar reside en la renovación continua del
aire en las unidades respiratorias, que es donde el aire está en estrecha
proximidad con la sangre.
Podemos estimar la efectividad de la ventilación calculando la ventilación pulmonar
total o volumen de aire que entra y sale de los pulmones en cada minuto. Se le
llama también volumen respiratorio minuto (VRM) y se calcula al multiplicar el
volumen corriente por la frecuencia respiratoria. Como la frecuencia respiratoria
suele ser de 12-15 respiraciones por minuto:
FR x VC = VRM
12 respiraciones/min x 500 ml = 6000 ml/min = 6 litros/min
La ventilación pulmonar total representa el movimiento físico del aire dentro y fuera
del tracto respiratorio, pero no es necesariamente un buen indicador de la cantidad
de aire fresco que alcanza la superficie de intercambio alveolar porque parte del
aire que respira una persona nunca llega a las regiones de intercambio de gases
sino que permanece en las vías respiratorias como la tráquea y los bronquios.
Como estas vías respiratorias no intercambian gases con la sangre, se les llama
espacio muerto anatómico y el aire que contienen aire del espacio muerto
(VM). En un varón adulto es de ~ 150 ml.
Como consecuencia, un indicador más adecuado de la eficiencia de la ventilación es
la ventilación alveolar o cantidad de aire que alcanza los alvéolos en un
minuto que se calcula al multiplicar la frecuencia respiratoria por el volumen
corriente menos el volumen del espacio muerto:
FR x (VC – VM) = VA
12 respiraciones/min x (500ml – 150ml) = 4200 ml/min
Se observa que la ventilación alveolar puede ser afectada drásticamente por
cambios tanto en la frecuencia respiratoria como en la profundidad de la
respiración.
DIFUSIÓN O INTERCAMBIO ALVÉOLO-CAPILAR DE GASES
Una vez que los alvéolos se han ventilado con aire nuevo, el siguiente paso en el
proceso respiratorio es la difusión del oxígeno (O2
) desde los alvéolos hacia la
sangre y del dióxido de carbono (CO2
) en dirección opuesta.
La cantidad de oxígeno y de dióxido de carbono que se disuelve en el
plasma depende del gradiente de presiones y de la solubilidad del gas. Ya
que la solubilidad de cada gas es constante, el principal determinante del
intercambio de gases es el gradiente de la presión parcial del gas a ambos
lados de la membrana alvéolo-capilar.
Los gases fluyen desde regiones de elevada presión parcial a regiones de baja
presión parcial. La PO2 normal en los alvéolos es de 100 mmHg mientras que la PO2
normal en la sangre venosa que llega a los pulmones, es de 40 mmHg. Por tanto, el
oxígeno se mueve desde los alvéolos al interior de los capilares pulmonares. Lo
contrario sucede con el dióxido de carbono. La PCO2 normal en los alvéolos es de 40
mmHg mientras que la PCO2 normal de la sangre venosa que llega a los pulmones es
19
de 46 mmHg. Por tanto, el dióxido de carbono se mueve desde el plasma al interior
de los alvéolos. A medida que difunde más gas de un área a otra de la membrana,
la presión parcial va disminuyendo en un lado y aumentando en otro, de modo que
los 2 valores se van acercando y, por tanto, la intensidad de la difusión es cada vez
menor hasta que llega un momento en que las presiones a ambos lados de la
membrana alvéolo-capilar se igualan y la difusión se detiene.
La cantidad de aire alveolar sustituida por aire atmosférico nuevo con cada
movimiento respiratorio solo es la 1/7 parte del total, de modo que se necesitan
varios movimientos respiratorios para renovar la mayor parte del aire alveolar. Con
una ventilación alveolar normal se necesitan unos 17 segundos aproximadamente,
para sustituir la mitad del aire alveolar y esta lentitud tiene importancia para evitar
cambios bruscos en las concentraciones gaseosas de la sangre.
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