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APARATO RESPIRATORIO El metabolismo aerobio de las células depende de un suministro continuo de oxígeno y nutrientes desde el entorno, y de la eliminación de dióxido de carbono. Los pulmones humanos están encerrados en la cavidad torácica , en un ambiente húmedo que favorece el intercambio de gases con la sangre y protege del daño a la delicada superficie de intercambio. Pero por otro lado esta internalización genera otro problema , que es la movilización del aire entre la atmósfera y la superficie de intercambio ubicada profundamente dentro del organismo. En los humanos el flujo de aire requiere de la estructura músculoesquelética del tórax cuyas modificaciones permiten el paso de aire de regiones de mayor presión a otras de menor presión. FUNCIONES PRINCIPALES DEL APARATO RESPIRATORIO 1. Intercambio de gases entre la atmósfera y la sangre: ingresa O 2 y elimina CO 2 2. Regulación del pH corporal: reteniendo o eliminando selectivamente CO 2 3. Protección frente a patógenos inhalados y a sustancias irritantes: el epitelio respiratorio está provisto de mecanismos que retienen y destruyen sustancias potencialmente nocivas antes de que puedan ingresar al organismo. 4. Vocalización: el aire que se mueve entre las cuerdas vocales crea vibraciones que permiten el habla, cantar y otras formas de comunicación. Respiración celular Es la interacción intracelular del O2 con moléculas orgánicas para producir CO 2 , agua y ATP Respiración externa Es el movimiento de gases entre el ambiente y las células del organismo. Figure 17-1: Overview of external and cellular de respiration Resumen la respiración externa y celular CO2 O2 Intercambio ExchangeI:I: between y el Entre la atmósfera pulmón. atmosphere and lung VíasAirways aéreas Alvéolos Alveoli pulmonares of lungs CO2CO2 OO2 2 COCO 2 2 ExchangeII: II: Intercambio between lung Entre el pulmón y la and blood sangre O O22 Pulmonary Circulación circulation pulmonar O2 Transportde of Transporte gases in gases en la the blood sangre Systemic Circulación sistémica circulation CO2 CO2 O2 CO2CO2 Cellular respiration Cells Células ATP ATP Human Physiology: An Integrated Approach, 4e by Dee Unglaub Silverthorn OO2 2 Intercambio III: EntreExchange la sangreIII: y las between blood células. and cells Nutrients Nutrientes Copyright © 2007 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. La caja torácica está delimitada por las costillas por delante y los laterales, la columna vertebral por detrás y un piso con forma de cúpula constituido por el diafragma. Los músculos asociados son: los intercostales internos y externos que conectan los 12 pares de costillas; los esternocleidomastoideo y escalenos que van desde la cabeza y nuca al esternón y las dos primeras costillas. Los pulmones están formados por tejido esponjoso liviano ocupado en su mayor parte por espacios llenos de aire; estos órganos descansan sobre el diafragma. Cada pulmón está rodeado por un saco pleural doble cuyas membranas (pleuras) recubren por un lado la superficie externa de los pulmones y por otro la cara interna del tórax. Entre ambas pleuras hay Esternocleidomastoideo líquido pleural. * Faringe Cuerdas vocales Escalenos Intercostales internos Intercostales externos Esófago Cavidad nasal Vía aérea superior Laringe Tráquea Pulmón Diafragma Bronquios Músculos abdominales *El resultado es similar a un globo lleno de aire ( el pulmón) rodeado por un Diafragma globo lleno de agua ( el saco pleural). El líquido pleural crea una superficie húmeda y resbaladiza de modo que las membranas pueden deslizarse una sobre otra cuando los pulmones se mueven dentro del tórax y a la vez hace que los pulmones se peguen a la pared torácica y los mantiene parcialmente inflados aún en reposo. Vía aérea inferior Resumen anatómico Ramificación de las vías aéreas Faringe Cuerdas vocales Laringe Cavidad nasal Vía aérea superior Esófago Laringe Tráquea Tráquea Pulmón Vía aérea inferior Bronquio principal izquierdo ( se divide 22 veces finalizando en un grupo de alvéolos) Bronquios Diafragma El aire ingresa a la vía aérea superior a través de la boca y la nariz y se dirige hacia la faringe , un corredor común para los alimentos, líquidos y aire. Desde la faringe el aire fluye a través de la laringe a la tráquea. La tráquea es un tubo semiflexible de 15 a 20 anillos cartilaginosos, que se ramifica en dos bronquios principales ( uno para cada pulmón). Dentro de los pulmones los bronquios se ramifican en más pequeños para convertirse en bronquiolos ( vías de músculo liso) terminando en los alvéolos. Los alvéolos constituyen la mayor parte del tejido pulmonar y su función principal es el intercambio de gases. Bronquio secundario Bronquiolos Alvéolos Células alveolares tipo I para el intercambio de gases ALVÉOLOS Estructura alveolar Superficie de intercambio de los alvéolos Célula endotelial del capilar Glóbulos rojo Células alveolares tipo I I sintetiza sustancia tensioactiva (surfactante) Endotelio Plasma Macrófago alveolar ingiere cuerpos extraños Cada alvéolo está compuesto por una única capa de epitelio. Tienen dos tipos de células epiteliales: Células alveolares tipo II que sintetizan una sustancia tensioactiva ( surfactante) la cual se mezcla con la delgada capa de líquido que recubre a los alvéolos para ayudar a los alvéolos a expandirse durante la respiración. Sustancia tensioactiva Espacio aéreo alveolar Membranas Basales fusionadas Células alveolares tipo I, muy delgadas para permitir la difusión de los gases a través de ellas. Los vasos sanguíneos cubren 80 a 90 % de la superficie alveolar, lo que forma una lámina casi continua de sangre en estrecho contacto con los alvéolos llenos de aire, lo cual es esencial para el intercambio de gases. c a p i l a r A l v é o l o ¿Qué es el aire? El aire es una mezcla de gases. La atmósfera que rodea a la tierra es una mezcla de gases y vapor de agua. La presión parcial de un único gas en una mezcla se conoce como presión parcial (P gas) y depende de su concentración. La presión parcial de oxígeno (PO2 ) en el aire seco a nivel del mar es de 160 mmHg Gas y su % en el aire P gas en aire seco a 25ªC Nitrógeno (N2) 78% 593 mm Hg Oxígeno (O2) 21% 160 mmHg Dióxido de carbono (CO 0.033% 0.25 mmHg Vapor de agua 0 mmHg “Los gases se desplazan desde áreas de mayor presión a áreas de menor presión. El movimiento del tórax durante la respiración genera condiciones alternantes de presión alta y baja en los pulmones.” Acondicionamiento del aire: Durante la respiración las vías aéreas superiores y los bronquios no actúan solo como “corredores” de aire, sino que desempeñan un papel importante en su acondicionamiento antes de llegar a los alvéolos: 1.Calentamiento del aire a la temperatura corporal ( 37ºC) para que los alvéolos no sean dañados por el frío. El aire se calienta por el calor del organismo y es mejor cuando ingresa por la nariz 2. Agregado de vapor de agua hasta que el aire alcanza el 100% de humedad de manera que el epitelio de intercambio húmedo no se seque. 3. Filtración de material extraño para que este no llegue a los alvéolos. Se filtra en la tráquea y en los bronquios que están recubiertos por epitelio ciliado que secretan moco y una solución salina diluida. El moco contiene inmunoglobulinas que pueden inactivar a muchos patógenos. El aire fluye hacia los pulmones debido a los gradientes de presión generados por las modificaciones de la caja torácica bajo la influencia de la actividad muscular. Las presiones en el aparato respiratorio pueden medirse en los espacios aéreos de los pulmones ( presión alveolar (PA) y en el líquido pleural ( presión intrapleural ). Puesto que la presión atmosférica es relativamente constante, la presión en los pulmones debe ser mayor o menor que la atmosférica para que el aire fluya entre la atmósfera y los alvéolos. Para que el aire ingrese en los pulmones la presión dentro de ellos debe ser menor que la presión atmosférica. Durante la inspiración el volumen torácico aumenta por contracción del diafragma que pierde su forma abovedada y de los intercostales externos y escalenos que tiran las costillas hacia arriba y afuera. Al aumentar el volumen torácico la presión alveolar cae 1 mm de Hg por debajo de la presión atmosférica . Al finalizar la inspiración el volumen pulmonar se encuentra en su punto máximo y la presión alveolar es igual a la atmosférica. Al finalizar la inspiración cesan los impulsos provenientes de las neuronas motoras somáticas hacia los músculos inspiratorios y los músculos se relajan, por lo tanto el volumen torácico disminuye y los pulmones vuelven a su posición original . Esto hace la presión alveolar aumente hasta 1 mm Hg sobre la presión atmosférica de modo que el aire sale de los pulmones ( espiración pasiva). La espiración activa tiene lugar durante la respiración voluntaria y cuando la frecuencia respiratorio excede las 30 a 40 respiraciones por minuto. En reposo, el diafragma está relajado Espacio pleural El diafragma se contrae, el volumen torácico aumenta Diafragma El diafragma se relaja, el volumen torácico disminuye Recordemos que la frecuencia respiratoria en reposo es de 12 a 20 / minuto. En la espiración forzada actúan los músculos abdominales que empujan el diafragma y favorecen la expulsión del aire. Los pulmones no se pueden expandir y contraer por sí solos. Están adheridos a la caja torácica por fuerzas cohesivas ejercidas por el líquido intrapleural. La presión intrapleural del líquido entre las dos pleuras es normalmente subatmosférico. Las dos membranas pleurales se mantienen unidas por el líquido pleural de manera que los pulmones se ven forzados a estirarse para ajustarse al mayor volumen de la caja torácica , pero al mismo tiempo la retracción elástica de los pulmones crea una fuerza hacia adentro que tiende a alejar los pulmones de la pared torácica. La combinación del empuje hacia afuera de la caja torácica y la retracción hacia adentro de los pulmones genera una presión intrapleural subatmosférica de alrededor de -3 mm Hg. Esta presión varía durante un ciclo respiratorio: al inicio de la inspiración es de 3mmHg y a medida que progresa la inspiración, como consecuencia que las pleuras y los pulmones siguen a la caja torácica , pero a su vez el tejido pulmonar se resiste a ser estirado , la presión intrapleural se vuelve más negativa hasta alcanzar un valor de -6mm Hg. Luego durante la espiración, la caja torácica vuelve a su posición de reposo , los pulmones se relajan y la presión intrapleural regrsea a -3mm Hg. Resistencia al estiramiento Menos resistencia al estiramiento Costillas La presión intrapleural es subatmosférica P= -3mm Hg Espacio intrapleural Membranas intrapleurales Diafragma SUSTANCIA TENSIOACTIVA O SURFACTANTE ¿A qué se debe la resistencia al estiramiento del pulmón? Se debe a la tensión superficial generada por la fina capa de líquido entre las células alveolares y el aire. Un alvéolo es como una burbuja recubierta de líquido , el cual crea la tensión superficial que tiende a disminuir la superficie alveolar , pero nuestros pulmones secretan una sustancia tensioactiva o surfactante que reduce la tensión superficial y de esta manera reduce la resistencia al estiramiento. La sustancia tensioactiva es una mezcla que contiene proteínas y fosfolípidos secretada por las células alveolares tipo II. Normalmente la síntesis de surfactante comienza alrededor de la 25º semana de desarrollo fetal y alcanza el nivel adecuado en la 34º ( seis semanas antes del parto a término) . Los bebés prematuros desarrollan el síndrome de distrés respiratorio del recién nacido que se caracteriza por presentar pulmones rígidos ( poca distensibilidad) y alvéolos que colapsan cada vez que se produce una exhalación. Esto se puede tratar con la administración de sustancia tensioactiva artificial en aerosol hasta que los pulmones maduren los suficiente para producir su propio tensioactivo y con ventilación artificial que fuerce la entrada de aire a los pulmones y mantenga abiertos los alvéolos. O2 CO2 1.Intercambio de O2 Intercambio de gases: los gases difunden siguiendo un entre la atmósfera y el gradiente de presión ( de mayor presión a menor presión) Vías aéreas pulmón. La PO2 alveolar es de 100 mm Hg, mientras que la PO2 de Alvéolos la sangre venosa sistémica que llega a los pulmones es de pulmonares 40 mm Hg, por lo tanto el O2 pasa desde los alvéolos a los capilares . La presión de la sangre arterial que abandona los pulmones es igual que la de los alvéolos de 100 mm Hg. En los tejidos la PO2 es de 40 mm Hg por lo que el O2 pasa de la sangre arterial a los tejidos. La sangre venosa queda cargada con una PO2 de 40 mm Hg que es con la que llega a los pulmones. Esta sangre venosa que trae CO2 de desecho de las células tiene una PCO2 de 46 mm Hg y como la presión de CO2 en los alvéolos es de es de 40 mm Hg este gas se mueve desde los capilares hacia los alvéolos. 7. Intercambio de CO2 en la interfase alvéolo – capilar) CO2 O2 O2 Circulación pulmonar 2. Intercambio de O2 entre el pulmón y la sangre ( interfase alvéolo – capilar) 3.Transporte de O2 en la sangre Circulación sistémica O2 6.transporte de CO2 5. Pasaje de CO2 a la * Ver el siguiente esquema : Intercambio de gases sangre en los alvéolos y las células CO22 CO CO 2 CO2 Cellular respiration Células ATP ATP OO22 4. Pasaje de O2 a las células Nutrientes Nutrientes Intercambio y transporte de gases Difusión de O2 Difusión de CO2 Alvéolo Aparato circulatorio Tejido periférico Alvéolo Aparato circulatorio Tejido periférico Pasaje del oxígeno del alvéolo a la sangre. Transporte. Endotelio capilar SANGRE ARTERIAL disuelto en plasma Eritrocito Alvéolo Membrana alveolar Transporte a las células disuelto en el plasma Células Utilizado en la respiración celular Regulación de la respiración: la respiración es un proceso rítmico que ocurre sin que lo pensemos conscientemente, con lo cual se asemeja al latido cardíaco, pero la diferencia radica en que los Emociones músculos esqueléticos involucrados en la respiración no se pueden y control CO2 O2 y pH contraer espontáneamente. Su contracción requiere de la acción de voluntario las motoneuronas alfa del asta anterior de la médula reguladas a su vez por grupos de neuronas bulboprotuberanciales que en su Centros Quimiorreceptores Quimiorreceptores conjunto se llaman: generador de patrón central (GCP) que tiene cerebrales Del bulbo raquídeo Aórticos y una actividad rítmica intrínseca (marcapasos) y que funciona superiores carotídeos automáticamente durante toda la vida. Recordemos que la respiración además puede ser controlada voluntariamente, pero no por siempre. Este GPC contiene dos centros en bulbo: Sistema Neuronas límbico 1.Grupo respiratorio dorsal con neuronas inspiratorias que sensitivas aferentes controlan los músculos de la inspiración. 2. Grupo respiratorio ventral que controla los músculos que Generador de patrón central (GPC) participan en la respiración forzada y también inerva a los músculos Bulbo raquídeo de la faringe, laringe y lengua, para mantener las vías aéreas Protuberancia abiertas durante la respiración. Grupo Grupo respiratorio El GPC responde estímulos provenientes de quimiorreceptores respiratorio ventral dorsal centrales ( bulbo raquídeo) sensibles al aumento de CO2 y a los estímulos provenientes de quimiorreceptores periféricos ( aórticos y carotídeos ) sensibles al aumento de CO2 y disminución de O2 y Neuronas Neuronas motoras motoras somáticas pH. somáticas (respiración Dado que los quimiorreceptores periféricos responden (inspiración) forzada) solo a cambios muy importantes de la PO2 arterial ( debe caer a menos de 60 mm Hg) no tienen un papel Intercostales Diafragma Intercostales Músculos Músculo escaleno importante en la regulación diaria de la ventilación. externos internos Abdominales Y (espiración La respuesta será el aumento de la velocidad y esternocleido activa) profundidad de la respiración. mastoideo (inspiración forzada) La sustancia química más importante en el control de la ventilación es el CO2 a través de su acción sobre los quimiorreceptores centrales Cuando la PCO2 arterial aumenta , el CO2 cruza la barrera hematoencefálica y activa los quimiorreceptores centrales, quienes envían señales al GPC para que aumente la velocidad y profundidad de la ventilación, favoreciendo la eliminación de CO 2 Los centros superiores del hipotálamo y cerebro pueden alterar la actividad del generador central de patrón y cambiar la frecuencia y profundidad de la respiración. El sistema límbico, responsable de las emociones como el miedo y la excitación también pueden afectar la respiración . Podemos modificar temporalmente la actividad respiratoria, por ejemplo dejando de respirar , pero solo hasta que el aumento de la PCO2 estimule los quimiorreceptores para forzarnos a inhalar. Una persona puede llegar a desmayarse por la hipoxia que genera dejar de respirar, pero una vez inconscientes la respiración se reanuda automáticamente. Además de los reflejos de los quimiorreceptores que ayudan a regular la respiración, se producen reflejos protectores que responden a lesiones físicas o a la irritación del tracto respiratorio; tal es el caso de la broncoconstricción mediada por neuronas parasimpáticas que inervan el músculo liso bronquiolar, así también como la tos y el estornudo . La sobreexpansión de los pulmones durante el ejercicio extremo por ejemplo , cuando el volumen corriente excede 1 litro , estimula a los receptores de estiramiento del pulmón que envía señales al tronco encefálico para finalizar la inspiración. ( reflejo de insuflación de Hering- Breuer) Espacio muerto Volúmenes pulmonares El aire que se moviliza durante la respiración puede dividirse VR VR en 4 volúmenes pulmonares: 1. Volumen corriente (Vc): es el volumen de aire que se + desplaza durante la respiración tranquila ( 500 ml). VRE 2. Volumen de reserva inspiratoria (VRI): es el volumen adicional de aire que puede inspirarse luego de una Capacidad vital Vc inspiración tranquila ( en un hombre de 70 kg es de alrededor 3000 ml) VRI 3. Volumen de reserva espiratoria ( VRE): es la cantidad de = Capacidad aire que se exhala forzadamente luego de una espiración pulmonar total normal (1100 ml) 4. Volumen residual (VR): es el volumen de aire que queda en La suma de 2 o más volúmenes pulmonares se los pulmones luego de una espiración máxima (1200 ml) Los volúmenes para las mujeres son 20 a 25% menores llama capacidad. Es posible evaluar la función pulmonar por medio de un espirómetro ( instrumento que mide el volumen de aire que se desplaza con cada respiración. Espacio muerto VR VRE Vc VR + Fin de inspiración normal Volumen de reserva inspiratorio 3000ml Volumen corriente 500 ml Capacidad vital Fin de una espiración normal VRI = Capacidad pulmonar total Capacidad Inspiratoria Trazado de un espirómetro que muestra los volúmenes y las capacidades pulmonares Capacidad vital 4600 ml Volumen de reserva espiratorio 1100ml Capacidad residual funcional Volumen residual 1200ml Las capacidades son la suma de dos o más volúmenes Sabías que la respiración bucal permanente no es una situación normal???? Te sugiero que leas sobre este tema…. No te conformes…. Tu formación ha comenzado y debe continuar… siempre! Las ilustraciones pertenecen al material complementario de : Silverthorne, Fisiología Humana. Un enfoque integrado. 4º. Edición. Editorial Panamericana.