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ESCUELA EUROPEA DE LUXEMBURGO
4º SECUNDARIA
SECCION ESPAÑOLA
BIOLOGÍA
TEMA 4.4.2. LA RESPIRACIÓN HUMANA
1. ¿EN QUÉ CONSISTE LA RESPIRACIÓN?
Los seres humanos necesitamos un continuo aporte de energía para diferentes procesos. Entre ellos
destacan:
a) Síntesis de moléculas: proteínas estructurales, grasas, hormonas…
b) Trabajo mecánico: contracción de la musculatura.
c) Trabajo químico: transmisión del impulso nervioso, paso de sustancias entre células, trabajo de
filtración de los riñones…
d) Crecimiento y reparación de los tejidos: fabricación de nuevas células.
e) Mantenimiento de la temperatura, dado que somos animales homeotermos (o de “sangre
caliente”).
Toda esta energía se consigue mediante la degradación de glúcidos y grasas, proceso que ocurre en
las mitocondrias de las células. Este proceso recibe el nombre de respiración celular. La ecuación
química de la degradación de la glucosa es:
C6H12O6
glucosa
+
6 O2
oxígeno
6 CO2
+
dióxido de carbono
6 H2O
agua
+
energía
Este proceso requiere oxígeno y desprende dióxido de carbono, gases que son transportados por
la sangre desde y hasta los pulmones donde se realiza el intercambio con el aire.
Para facilitar este intercambio, los pulmones realizan
movimientos respiratorios que se conocen como ventilación
pulmonar.
2. ¿CÓMO ES EL APARATO RESPIRATORIO
HUMANO?
Nuestro aparato respiratorio está
pulmones y las vías respiratorias.
formado
por
los
Las vías respiratorias son conductos por los que pasa el
aire desde el exterior hasta los pulmones, y viceversa. Los
órganos que las componen son:
 Las fosas nasales, abertura natural del aparato respiratorio,
con repliegues de piel, que calientan y humedecen el aire que
entra en el cuerpo, y mucus y pelos, que lo limpian del polvo
que transporta.
 La faringe, punto de cruce con el aparato digestivo, provista
de la epiglotis, que impide la entrada de partículas
alimenticias en las vías respiratorias. A ella va a desembocar
la trompa de Eustaquio, canal de comunicación con el oído medio.
 La laringe, órgano de la voz.
 La tráquea, bronquios y bronquiolos, tubos cada vez más
ramificados y de diámetro menor que conducen el aire a los alvéolos,
bolsas esféricas recubiertas de un epitelio muy fino cuya misión es el
intercambio de gases.
Los pulmones son dos órganos de forma cónica alojados en la
cavidad torácica, limitada por los lados por las costillas y por debajo por
el músculo diafragma. Los pulmones están recubiertos por la pleura
que se adhiere por su cara externa a la cavidad torácica y por su cara
interna a los pulmones. Cada pulmón contiene alrededor de 150
millones de alvéolos con una superficie total de unos 75 m2.
Los pulmones reciben sangre sin oxigenar directamente del corazón
a través de las arterias pulmonares que se ramifican cada vez más
finamente hasta llevar la sangre a cada uno de los alvéolos. De ahí, la
sangre oxigenada es llevada al resto del cuerpo (pasando otra vez por el
corazón) mediante las venas pulmonares.
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3. EL MECANISMO QUE PERMITE LA CIRCULACIÓN DEL AIRE
La entrada y salida del aire en los pulmones se denomina ventilación pulmonar y es debida a
cambios del volumen de la caja torácica.
La inspiración o movimiento de hinchamiento de los pulmones es debida a la acción de músculos
que elevan las costillas (intercostales externos) y al diafragma (músculo laminar y abombado que separa
el tórax del abdomen) que empuja las vísceras hacia abajo. La acción de ambos músculos provoca el
ensanchamiento de la caja
torácica y la aspiración del
aire.
La
espiración
o
deshinchamiento
de
los
pulmones
es
un
movimiento habitualmente
pasivo que se produce
cuando cesa la acción de
los músculos inspiratorios.
No
obstante,
en
las
espiraciones forzadas, los
músculos
intercostales
internos
tiran
de
las
costillas hacia abajo y los
músculos
abdominales
empujan las vísceras hacia
arriba,
reduciendo
el
volumen de la caja torácica
y provocando la salida del aire.
Los pulmones son elásticos, aunque carecen de músculos. Siguen el movimiento de la caja torácica
debido a que están fijados a ella gracias a la pleura.
¿Se produce una renovación completa del aire pulmonar?
Mediante un espirómetro se mide el volumen de aire que penetra y sale de los pulmones de una persona. La
gráfica de la derecha se ha obtenido tras una serie de
inspiraciones y espiraciones normales a las entre las que
hay intercaladas una inspiración y una espiración
forzadas.
 ¿Qué volumen de “aire corriente” se mueve durante
las inspiraciones y espiraciones normales?
 ¿Qué volumen extra de aire puede introducirse en
una inspiración forzada? ¿Cómo se denomina ese
volumen?
 ¿Qué volumen extra de aire puede expulsarse en una
espiración forzada? ¿Cómo se denomina ese
volumen?
 ¿Cuál es la capacidad vital de esa persona (diferencia
de volumen de los pulmones entre una inspiración y
una espiración forzadas?
 ¿Cuál es su ritmo respiratorio normal?
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 Si la capacidad pulmonar total de esa persona es de 5 litros, ¿se produce una renovación total de su aire pulmonar?
¿Cuál es su volumen residual?
4. EL INTERCAMBIO DE GASES
La voz humana
La laringe juega un papel
esencial en la producción
de la voz. Unos pliegues
de su pared, llamados
cuerdas vocales, vibran
cuando el aire que sale de
los pulmones pasa por
ellos. Así se produce el
sonido. Sin embargo la
producción de la voz
requiere un mecanismo
muy complejo que exige la
coordinación de la laringe,
los labios y la lengua.
Tanto el aire inspirado como el espirado contienen oxígeno y dióxido
de carbono, aunque en proporciones diferentes debido a que en los
pulmones se produce un intercambio de gases con la sangre.
Composición del aire (en %)
El intercambio tiene lugar en los
Aire
Aire
alvéolos. Estos consisten en una capa
inspirado
espirado
muy fina de células que separa el aire
atmosférico de la sangre. Cuando el
Oxígeno
20
16
aire llega a los alvéolos, contiene más
Dióxido de
0,03
4
oxígeno (en %) que la sangre, por lo
carbono
que una parte de éste pasa libremente
Nitrógeno
79
79
a la sangre. De la misma forma, el
dióxido de carbono de la sangre pasa al aire del interior de los alvéolos.
En ambos casos, los gases se mueven
por difusión.
El intercambio de gases se ve favorecido por tres factores: la
superficie total de los alvéolos es enorme y además está húmeda, los
alvéolos están rodeados de capilares en los que la sangre es renovada
constantemente gracias al bombeo del corazón y la superficie de
separación entre aire y sangre es finísima.
5. EL TRANSPORTE DE GASES POR LA SANGRE
Transporte de oxígeno.
El oxígeno es poco soluble en el plasma sanguíneo, pero
unido a la hemoglobina permite que la sangre transporte un
volumen de oxígeno 65 veces mayor que el que se podría
transportar disuelto en el plasma.
La hemoglobina es una proteína transportadora de
oxígeno que existe en el interior de los glóbulos rojos o
eritrocitos sanguíneos, cada uno de los cuales posee en su
interior unos 250 millones de moléculas. Cada molécula de
hemoglobina está unida a cuatro átomos de hierro.
Un átomo de hierro puede unirse a una molécula de
oxígeno, de forma que cada hemoglobina puede transportar
cuatro moléculas de oxígeno.
Cuando la sangre pasa por los capilares pulmonares, el
oxígeno se une a la hemoglobina libre y se forma la
oxihemoglobina, que viaja con la sangre hasta los tejidos.
Allí la oxihemoglobina se disocia en hemoglobina y
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oxígeno, que puede pasar a las células. En condiciones normales el 98% del oxígeno
transportado por la sangre lo hace como oxihemoglobina; el 2% restante lo hace disuelto en el
plasma.
Transporte de dióxido de carbono
El dióxido de carbono producido en las células pasa a la sangre por los capilares que
atraviesan los tejidos. Allí es transportado por la sangre de tres formas:
a) El dióxido de carbono es algo más soluble en el plasma que el oxígeno, por lo que
aproximadamente un 5% es transportado de esa forma.
b) Un 10% más del dióxido de carbono se une a algunas de las hemoglobinas que han quedado
libres en los tejidos y se forma carboxihemoglobina, que al llegar a los pulmones volverá a
disociarse.
c)
Pero el 85% restante viaja en forma de bicarbonato. Una enzima que existe en los glóbulos rojos
transforma el dióxido de carbono a bicarbonato que es muy soluble en el plasma. Al llegar a los
pulmones se produce la reacción inversa.
En cualquier caso, al llegar a los capilares pulmonares, el CO2 pasa al aire alveolar por difusión.
6. EL CONTROL DE LA RESPIRACIÓN
Los músculos respiratorios se contraen y se relajan en el momento adecuado, como resultado de
impulsos nerviosos procedentes del centro respiratorio localizado en el bulbo raquídeo.
La cantidad de CO2 en la sangre actúa directamente sobre el bulbo raquídeo o sobre receptores
situados en la arteria aorta y las arterias carótidas. Cuando la presión parcial de CO2 supera los valores
normales, la velocidad de la respiración aumenta, tendiendo a eliminar el exceso de CO 2: un aumento de
sólo un 0,3% en el nivel de CO2 da lugar a la duplicación del volumen de aire respirado. El volumen de
aire respirado, que en condiciones de reposo es de unos 8 l/min puede llegar a 180 l/min durante el
ejercicio físico.
El centro respiratorio tiene conexiones con la corteza cerebral, por lo que podemos alterar
voluntariamente el ritmo respiratorio o dejar de respirar por unos segundos; este control puede impedir
la inhalación de gases indeseados o de agua. En cualquier caso el control voluntario solo se ejerce hasta
una determinada acumulación de CO2 en la sangre.
7. LA RESPIRACIÓN Y LA ALTITUD
El rasgo más peligroso de las grandes alturas no es el frío, las escarpadas laderas o las avalanchas,
sino la falta de oxígeno. A medida que aumenta la altitud, se produce un descenso de la presión
atmosférica y, por tanto, de la presión parcial de oxígeno. El resultado es que el aire que se respira está
empobrecido en oxígeno (ver tabla).
La reducción de la presión
Presión atmosférica
Presión parcial de
Altitud (m)
de
oxígeno
comienza
a
(mm de Hg)
oxígeno (mm de Hg)
manifestarse a los 3000 metros
0 (nivel del mar)
760
159
de altitud produciendo un
3000
523
110
estado de somnolencia, fatiga
6000
349
73
muscular y dolor de cabeza. A
9000
226
47
los 6000 m los síntomas se
acentúan y pueden aparecer espasmos y convulsiones. A los 7000 m las personas no aclimatadas pueden
entrar en estado de coma.
El organismo puede adaptarse progresivamente a las bajas concentraciones de oxígeno y aclimatarse
a vivir en las grandes alturas. Los principales mecanismo a través de los que se logra son:
a) Incremento de la ventilación pulmonar, aumentando el ritmo respiratorio y el volumen de la caja
torácica.
b) Incremento de la concentración de hemoglobina en la sangre, que puede pasar desde 15 a 22
g/100 ml; como el volumen sanguíneo también puede incrementarse, el aumento total de la
hemoglobina puede representar entre un 50 y un 90% más.
Esta adaptación comienza tras dos o tres semanas y tarda varios meses en realizarse por completo.
La adaptación a las grandes altitudes se utiliza para acondicionar físicamente a los deportistas. Por esa
razón, diversas federaciones deportivas han fijado unos valores máximos aceptados del hematocrito.
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En las personas nacidas en altitudes superiores a 4000 m como en los Andes o el Himalaya, el
proceso de aclimatación comienza en la infancia y produce, entre otros efectos mayor volumen del tórax
y del corazón, así como mayor número de glóbulos rojos que pueden llegar a 8 millones por mm3.
Hasta los años 70 se pensaba que el límite de supervivencia para el hombre se situaba en los 6000
m, pero en 1978 dos escaladores alcanzaron la cima del Everest sin utilizar oxígeno adicional. Tres años
después, la Expedición de Investigación Médica Norteamericana viajó al Himalaya y logró efectuar
mediciones a alturas superiores a 8000 m, incluyendo en el registro continuo de la actividad eléctrica del
corazón y la obtención de gases en los alvéolos, comprobándose que a esas alturas la capacidad de
trabajo se ve muy disminuida y se producen cambios en el metabolismo y en la función cerebral. Dos
expedicionarios perdieron hasta 15 kg de peso, debido al incremento de la producción de hormona
tiroidea, que incrementa la tasa de respiración celular. El aprendizaje verbal y la memoria a corto plazo
también disminuyeron notablemente.
8. EL TABACO Y LA SALUD.
El tabaco contiene más de 4000 compuestos químicos diferentes, muchos de ellos tóxicos para el
organismo, especialmente para el aparato respiratorio.
Entre ellos destacan:

Compuestos irritantes como la acroleína. Destruyen los cilios que tapizan las vías respiratorias, dañan
las paredes alveolares y originan bronquitis y enfisema pulmonar.

Nicotina. Sus efectos se manifiestan sobre el corazón, vasos sanguíneos y sistema nervioso.

Monóxido de carbono. Se fija a la hemoglobina y perturba el transporte de oxígeno.
El tabaco es responsable del 90% de las muertes por cáncer de pulmón y del 25% de los accidentes
coronarios.
Otras enfermedades ligadas al tabaco son la arteriosclerosis y las úlceras gástricas.
Los hijos de madres fumadoras pesan al nacer 250 g menos en promedio, tienen mayor riesgo de
muerte en los momentos próximos al parto y una probabilidad más alta de contraer neumonía o
bronquitis el primer año de vida.
Los fumadores también imponen esos riesgos a los no fumadores de su entorno, los fumadores
pasivos. En un ambiente cerrado, estos últimos se ven obligados a inhalar el humo del tabaco de forma
que se puede detectar nicotina en su orina y monóxido de carbono en susangre.
Edad actual
¿CUÁNTOS AÑOS REDUCE EL TABACO TU ESPERANZA DE VIDA?
25
30
35
40
45
50
55
60
65
ESPERANZA DE VIDA SEGÚN EL CONSUMO DE TABACO
48,6
43,9
39,2
34,5
30,0
25,6
44,0
39,3
34,7
30,2
25,9
21,8
43,1
38,4
33,8
29,3
25,0
21,0
42,4
37,8
33,2
28,7
24,4
20,5
21,4
17,9
17,4
17,0
17,6
14,5
14,1
13,7
14,1
11,3
11,2
11,0
4,4
3,9
3,1
No fumador
1-9 cigarrillos diarios
10-19 cigarrillos diarios
20-39 cigarrillos diarios
Años perdidos para un
fumador de 20-39 cg/d.
6,2
6,1
6,0
5,8
5,6
5,1
Datos tomados del informe de la OMS
El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, producido en las combustiones incompletas
que tiene una afinidad por la hemoglobina de 200 a 300 veces superior a la del oxígeno.
La sangre de los fumadores contiene cantidades variables
Cigarrillos / día
de monóxido de carbono. Cuando la concentración del CO en la
10 – 12
sangre es inferior a 10%, no se sienten molestias, excepto al
15 – 20
realizar ejercicio físico; los deportistas conocen perfectamente
30 - 40
el efecto del tabaco sobre su rendimiento. Aún en el caso de
abandonar el tabaco se necesitan varios días para volver a la normalidad.
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Porcentaje de CO en la sangre
4,9 %
6,3 %
9,2 %
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En caso de intoxicación por monóxido de carbono, los métodos tradicionales de reanimación no
suelen dar resultados positivos. El único tratamiento eficaz es el oxígeno puro a presión, que acelera la
eliminación del monóxido de carbono y aumenta la cantidad de oxígeno en el plasma.
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9. ACTIVIDADES DE REPASO
1. Rotula el esquema de aparato respiratorio dado
al lado.
2.
Rotula el siguiente esquema de un saco alveolar
con la lista de términos siguiente:
Alvéolos, arteriola pulmonar, atrio, bronquiolo,
capilares pulmonares, conducto alveolar, pared
alveolar, vénula pulmonar
3. El espirograma adjunto corresponde a un
humano adulto.
a) Calcule los volúmenes corriente,
inspiratorio de reserva y espiratorio de
reserva
b) Calcule el ritmo respiratorio y el
volumen de aire respirado por minuto.
4. En un experimento realizado en un gran hospital se seleccionaron dos grupos de pacientes del mismo
sexo y de edad semejante. Todos los pacientes del grupo A padecían cáncer de pulmón mientras que
los del grupo B padecían otras enfermedades. Los médicos encontraron que en ambos grupos había
fumadores en los porcentajes que muestra la tabla adjunta.
a) ¿Qué conclusiones obtendrías de estos resultados?
b) ¿Por qué es necesario considerar al grupo B
(grupo de control)?
c)
Explica de qué otra forma podrían haber llevado a
cabo el experimento.
Pacientes que habían
fumado más de 15
cigarrillos por día
Pacientes no
fumadores
Grupo A
25
0,5
Grupo B
13
4,5
5. La práctica del buceo comporta ciertos riesgos. Uno de ellos es el llamado enfermedad de los
buzos o síndrome de la descompresión.
En el buceo con botellas de aire comprimido, el regulador
suministra aire a los pulmones a una presión equivalente a la
de la profundidad a la que se halla el buzo. Cuanto más
elevada es la presión, con más facilidad se disuelven los
gases en la sangre. En el caso del nitrógeno, esto adquiere
una particular importancia: a nivel del mar, los tejidos y la
sangre contienen alrededor de 1 litro de nitrógeno disuelto,
mientras que a 100 m de profundidad contienen 10 litros de
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ese gas. Si un buceador asciende rápidamente, se produce una descompresión brusca: entonces el
nitrógeno se desprende de la sangre en forma de burbujas que pueden interrumpir la circulación
capilar, presionar sobre terminaciones nerviosas o provocar un coágulo.
El síndrome de la descompresión se presenta como un dolor de las articulaciones, entumecimiento,
parálisis, hormigueos, mareos, trastornos de la visión, edema de pulmón e incluso infartos.
Este síndrome puede sufrirlo cualquier buceador que haya sobrepasado los 9 metros de profundidad y
la única solución es efectuar ascensos lentos respetando las paradas que indican las tablas.
Para los ejercicios 6, 7, 8, 9 y 10 refiérase a las tablas que figuran al final.
6. Compare los volúmenes de oxígeno transportados por la sangre con la solubilidad del oxígeno en
agua. Dé una explicación a la aparente contradicción.
7. Demuestre que el músculo en actividad consume oxígeno y desprende dióxido de carbono.
8. Calcule el volumen de sangre bombeada por minuto por el corazón en reposo, en ejercicio moderado
y en ejercicio intenso.
9. Calcule el volumen total de oxígeno por minuto transportado por la sangre a los músculos en reposo
y durante el ejercicio.
10. Calcule el volumen total de dióxido de carbono por minuto transportado por la sangre desde los
músculos en reposo y durante el ejercicio.
TABLA 1
Músculo
Sangre a la entrada
CONTENIDO DE GASES EN LA SANGRE (ml por 100 ml de sangre)
Oxígeno
Dióxido de carbono
En reposo
En actividad
En reposo
En actividad
13,1
13,3
51,1
48,5
Sangre a la salida
TABLA 2
Reposo
11,0
1,8
ACTIVIDAD CARDIACA
Frecuencia
Volumen
cardiaca por
sangre por
min.
latido (ml)
64
100
Ejercicio moderado
122
125
Ejercicio intenso
170
120
TABLA 4
Temperatura (ºC)
0
SOLUBILIDAD DEL OXÍGENO
EN AGUA (ml de oxígeno en
cada l de agua)
Agua dulce
Agua salada
10,29
7,97
10
8,02
6,35
20
6.57
5,31
30
5,57
4,46
40
4,35
3,85
página 86
53.0
TABLA 3
Durmiendo
62,9
CONSUMO DE UNA
PERSONA NORMAL (Kj/min)
4,2
Leyendo sentado
5,8
Cortando troncos
37,6
Levantando peso
48,0
TABLA 5
Encéfalo
Corazón
Hígado
Intestino
Riñones
Músculos
Glándulas / piel
% DE SANGRE QUE RIEGA
DISTINTOS ÓRGANOS
(reposo)
14
5
6
21
22
26
5
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