1. Mecanismo de intercambio gaseosos.
1.1. Física de la difusión gaseosa y presiones parciales de gases
1.1.1. Base molecular de la difusión gaseosa Todos los gases importantes en fisiología respiratoria son molé¬ culas simples que se mueven libremente entre sí, que es el proceso que se denomina “difusión”. Esto también se aplica a los gases que están disueltos en los líquidos y en los tejidos del cuerpo. Para que se produzca la difusión debe haber una fuente de energía. Esta procede del movimiento cinético de las propias partículas. Excepto a la temperatura del cero absoluto, todas las moléculas de toda la materia están experimentando movimiento de manera continua.
1.1.2. La presión está producida por múltiples impactos de partículas en movimiento contra una superficie. Por tanto, la presión de un gas que actúa sobre las superficies de las vías respiratorias y de los alvéolos es proporcional a la suma de las fuerzas de los impactos de todas las moléculas de ese gas que chocan contra la superficie en cualquier momento dado. Esto significa que la presión es directamente proporcional a la concentración de las moléculas del gas.
1.1.2.1. Presiones de gases disueltos en agua y tejidos Los gases disueltos en agua o en los tejidos corporales también ejercen una presión, porque las moléculas de gas disuelto se mueven de manera aleatoria y tienen energía cinética. Además, cuando el gas disuelto en el líquido entra en contacto con una superficie, como la membrana de una célula, ejerce su propia presión parcial de la misma manera que un gas en la fase gaseosa.
1.1.2.1.1. Presión de vapor de agua Cuando se inhala aire no humidificado hacia las vías respiratorias, el agua se evapora inmediatamente desde las superficies de estas vías aéreas y humidifica el aire. Esto se debe al hecho de que las moléculas de agua, al igual que las moléculas de los diferentes gases disueltos, están escapando continuamente de la superficie del agua hacia la fase gaseosa.
1.1.3. Difusión de gases a través de tejidos Los gases importantes en fisiología respiratoria son todos ellos muy solubles en lípidos y, en consecuencia, son muy solubles en las membranas celulares. Debido a esto, la principal limitación al movimiento de los gases en los tejidos es la velocidad a la que los gases pueden difundir a través del agua tisular, en lugar de a través de las membranas celulares. Por tanto, la difusión de gases a través de los tejidos, y también a través de la membrana respiratoria, es casi igual a la difusión de los gases en el agua.
1.1.4. Concentración y presión parcial de oxígeno en los alvéolos
1.1.4.1. El oxígeno se absorbe continuamente desde los alvéolos hacia la sangre de los pulmones, y continuamente se respira oxígeno nuevo hacia los alvéolos desde la atmósfera. Cuanto más rápidamente se absorba el oxígeno, menor será su concentración en los alvéolos; por el contrario, cuanto más rápidamente se inhale nuevo oxígeno hacia los alvéolos desde la atmósfera, mayor será su concentración.
1.1.4.1.1. Por tanto, la concentración de oxígeno en los alvéolos, y también su presión parcial, está controlada por: 1) la velocidad de absorción de oxígeno hacia la sangre, y 2) la velocidad de entrada de oxígeno nuevo a los pulmones por el proceso ventilatorio.
1.1.4.2. Concentración y presión parcial de CO z en los alvéolos El dióxido de carbono se forma continuamente en el cuerpo y después se transporta por la sangre hacia los alvéolos; se elimina continuamente de los alvéolos por la ventilación.
1.2. Después de que los alvéolos se hayan ventilado con aire limpio, la siguiente fase del proceso respiratorio es la difusión del oxígeno desde los alvéolos hacia la sangre pulmonar y la difusión del dióxido de carbono en la dirección opuesta, desde la sangre. El proceso de difusión es simplemente el movimiento aleatorio de molé¬ culas en todas las direcciones a través de la membrana respiratoria y los líquidos adyacentes.
1.3. Difusión de gases a través de la membrana respiratoria
1.3.1. Capas de la membrana respiratoria: 1. Una capa de líquido que tapiza el alvéolo y que contiene surfactante, lo que reduce la tensión superficial del líquido alveolar. 2. El epitelio alveolar, que está formado por células epiteliales delgadas. 3. Una membrana basal epitelial. 4. Un espacio intersticial delgado entre el epitelio alveolar y la membrana capilar. 5. Una membrana basal capilar que en muchos casos se fusiona con la membrana basal del epitelio alveolar. 6. La membrana del endotelio capilar.
1.3.2. Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria: En relación con el análisis anterior de la difusión de los gases en agua, se pueden aplicar los mismos principios y fórmulas matemáticas a la difusión de gases a través de la membrana respiratoria. Así, los factores que determinan la rapidez con la que un gas atraviesa la membrana son:
1.3.2.1. 1) el grosor de la membrana 2) el área superficial de la membrana 3) el coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana 4) la diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados de la membrana.
1.3.2.1.1. Capacidad de difusión de la membrana respiratoria La capacidad de la membrana respiratoria de intercambiar un gas entre los alvéolos y la sangre pulmonar se expresa en términos cuantitativos por la capacidad de difusión de la membrana respiratoria, que se define como el volumen de un gas que difunde a través de la membrana en cada minuto para una diferencia de presión parcial de 1 mmHg
1.3.3. Capacidad de difusión del oxígeno: En el varón joven medio, la capacidad de difusión del oxígeno en condiciones de reposo es en promedio de 21 m l/m in/m m H g. En términos funcionales. La diferencia media de presión de oxígeno a través de la membrana respiratoria durante la respiración tranquila normal es de aproximadamente 11 mmHg. La multiplicación de esta presión por la capacidad de difusión (11x21) da un total de aproximadamente 230 mi de oxígeno que difunden a través de la membrana respiratoria cada minuto; esto es igual a la velocidad a la que el cuerpo en reposo utiliza el oxígeno.
1.3.3.1. Capacidad de difusión del dióxido de carbono: Nunca se ha medido la capacidad de difusión del dióxido de carbono debido a la siguiente dificultad técnica: el dióxido de carbono difunde a través de la membrana respiratoria con tanta rapidez que la Pco 2 media de la sangre pulmonar no es muy diferente de la Pco 2 de los alvéolos (la diferencia media es menor de 1 mmHg) y con las técnicas disponibles esta diferencia es demasiado pequeña como para poderla medir.
2. Regulación de la respiración
2.1. Centro respiratorio
2.1.1. El centro respiratorio está formado por varios grupos de neuronas localizadas bilateralmente en el bulbo raquídeo y la protuberancia del tronco encefálico. Está dividido en tres grupos principales de neuronas:
2.1.1.1. 1) un grupo respiratorio dorsal, localizado en la porción ventral del bulbo, que produce principalmente la inspiración
2.1.1.2. 2) un grupo respiratorio ventral, localizado en la parte ventrolateral del bulbo, que produce principalmente la espiración
2.1.1.3. 3) el centro neumotáxico, que está localizado dorsalmente en la porción superior de la protuberancia, y que controla principalmente la frecuencia y la profundidad de la respiración.
2.1.2. Grupo respiratorio dorsal de neuronas: control de la inspiración y del ritmo respiratorio
2.1.2.1. El grupo respiratorio dorsal de neuronas tiene la función más importante en el control de la respiración y se extiende a lo largo de la mayor parte de la longitud del bulbo raquídeo. La mayor parte de sus neuronas están localizadas en el interior del núcleo del tracto solitario (NTS), aunque otras neuronas de la sustancia reticular adyacente del bulbo también tienen funciones importantes en el control respiratorio.
2.1.2.2. La señal nerviosa que se transmite a los músculos respiratorios, principalmente el diafragma, no es una descarga instantánea de potenciales de acción. Por el contrario, en la respiración normal comienza débilmente y aumenta de manera continua a modo de rampa durante aproximadamente 2s. Después se interrumpe de manera súbita durante aproximadamente los 3s siguientes, lo que inactiva la excitación del diafragma y permite que el retroceso elástico de los pulmones y de la pared torácica produzca la espiración.
2.1.2.2.1. 1. Control de la velocidad de aumento de la señal en rampa, de modo que durante la respiración forzada la rampa aumenta rápidamente y, por tanto, llena rápidamente los pulmones.
2.1.2.2.2. 2. Control del punto limitante en el que se interrumpe súbitamente la rampa. Este es el método habitual para controlar la frecuencia de la respiración; es decir, cuanto antes se interrumpa la rampa, menor será la duración de la inspiración. Esto también acorta la duración de la espiración. Así, aumenta la frecuencia de la respiración.
2.1.3. Grupo respiratorio ventral de neuronas: funciones en la inspiración y la espiración
2.1.3.1. Localizado a ambos lados del bulbo raquídeo, aproximadamente 5m m anterior y lateral al grupo respiratorio dorsal de neuronas, está el grupo respiratorio ventral de neuronas, que se encuentra en el núcleo ambiguo rostralmente y en el núcleo retroambiguo caudalmente. La función de este grupo neuronal difiere de la del grupo respiratorio dorsal en varios aspectos importantes:
2.1.3.1.1. 1. Las neuronas del grupo respiratorio ventral permanecen casi totalmente inactivas durante la respiración tranquila normal. Por tanto, la respiración tranquila normal está producida sólo por señales inspiratorias repetitivas procedentes del grupo respiratorio dorsal y transmitidas principalmente al diafragma, y la espiración se debe al retroceso elástico de los pulmones y de la caja torácica.
2.1.3.1.2. 2. Las neuronas respiratorias no parecen participar en la oscilación rítmica básica que controla la respiración.
2.1.3.1.3. 3. Cuando el impulso respiratorio para aumentar la ventilación pulmonar se hace mayor de lo normal, las señales respiratorias se desbordan hacia las neuronas respiratorias ventrales desde el mecanismo oscilatorio básico de la zona respiratoria dorsal. En consecuencia, la zona respiratoria ventral contribuye también al impulso respiratorio adicional.
2.1.3.1.4. 4. La estimulación eléctrica de algunas de las neuronas de grupo ventral produce la inspiración, mientras que la estimulación de otras produce la espiración. Por tanto, estas neuronas contribuyen tanto a la inspiración como a la espiración. Son especialmente importantes para suministrar señales espiratorias potentes a los músculos abdominales durante la espiración muy intensa. Así, esta zona actúa más o menos como mecanismo de sobre estimulación cuando son necesarios niveles altos de ventilación pulmonar, especialmente durante el ejercicio intenso.
2.2. Control quím ico de la respiración
2.2.1. El objetivo último de la respiración es mantener concentraciones adecuadas de oxígeno, dióxido de carbono e iones hidrógeno en los tejidos. Por tanto, es afortunado que la actividad respiratoria responda muy bien a las modificaciones de cada uno de estos parámetros.
2.2.1.1. Cada uno de estos parámetros. El exceso de dióxido de carbono o de iones hidrógeno en la sangre actúa principalmente de manera directa sobre el propio centro respiratorio, haciendo que se produzca un gran aumento de la intensidad de las señales motoras tanto inspiratorias como espiratorias hacia los músculos respiratorios.
2.2.2. El dióxido de carbono estimula la zona quimiosensible
2.2.2.1. Por qué el dióxido de carbono sanguíneo tiene un efecto más potente sobre la estimulación de las neuronas quimiosensibles que los iones hidrógeno sanguíneos?
2.2.2.1.1. La respuesta es que la barrera hematoencefálica no es muy permeable a los iones hidrógeno, pero el dióxido de carbono atraviesa esta barrera casi como si no existiera. Por tanto, siempre que aumente la Pco 2 sanguínea, también lo hace la Pco 2 del líquido intersticial del bulbo y del líquido cefalorraquídeo.
3. Estructura atomica
3.1. CAVIDADES NASALES Son dos estructuras, derecha e izquierda ubicadas por encima de la cavidad bucal. Están separadas entre sí por un tabique nasal de tejido cartilaginoso. En la parte anterior de cada cavidad se ubican las narinas, orificios de entrada del sistema respiratorio. La parte posterior se comunica con la faringe a través de las coanas.
3.2. FARINGE Órgano tubular y musculoso que se ubica en el cuello. Comunica la cavidad nasal con la laringe y la boca con el esófago. Por la faringe pasan los alimentos y el aire que va desde y hacia los pulmones, por lo que es un órgano que pertenece a los sistemas digestivo y respiratorio. Las partes de la faringe son:
3.2.1. Nasofaringe: porción superior que se ubica detrás de la cavidad nasal. Se conecta con los oídos a través de las trompas de Eustaquio
3.2.2. Bucofaringe: porción media que se comunica con la boca a través del istmo de las fauces.
3.2.2.1. Las funciones de la faringe son: -Deglución -Respiración -Fonación -Audición
3.2.3. Laringofaringe: es la porción inferior que rodea a la laringe hasta la entrada al esófago. La epiglotis marca el límite entre la bucofaringe y la laringofaringe.
3.3. LARINGE Órgano tubular, de estructura músculo - cartilaginosa, que comunica la faringe con la tráquea. El diámetro vertical mide 5-7 centímetros. Se ubica por encima de la tráquea. El hueso hioides actúa como aparato suspensorio.
3.3.1. Posición de respiración: las cuerdas vocales se abren hacia los lados y el aire circula libremente.
3.3.1.1. Las funciones de la laringe son: -Respiratoria -Deglutoria: se eleva la laringe y el bolo alimenticio pasa hacia el esófago. -Protectora: se cierra la epiglotis evitando el paso de sustancias a la tráquea. -Tusígena y expectorante (función protectora) -Fonética
3.3.2. Posición de fonación: las cuerdas vocales se acercan y el aire choca contra ellas.
3.4. TRÁQUEA Es un órgano con forma de tubo, de estructura cartilaginosa, que comunica la laringe con los bronquios. Está formada por numerosos anillos de cartílago conectados entre sí por fibras musculares y tejido conectivo. La función de los anillos es reforzar a la tráquea para evitar que se colapse durante la respiración
3.5. BRONQUIOS Son dos estructuras de forma tubular y consistencia fibrocartilaginosa, que se forman tras la bifurcación de la tráquea. Igual que la tráquea, los bronquios tienen una capa muscular y una mucosa revestida por epitelio cilíndrico ciliado. El bronquio derecho mide 2-3 cm y tiene entre 6 y 8 cartílagos. El bronquio izquierdo mide de 3 a 5 cm y posee entre 10 y 12 cartílagos.
3.5.1. BRONQUIOLOS Son pequeñas estructuras tubulares producto de la división de los bronquios. Se ubican en la parte media de cada pulmón y carecen de cartílagos. Los bronquiolos están formados por una delgada pared de músculo liso y células epiteliales cúbicas sin cilios. Penetran en los lobulillos del pulmón donde se dividen en bronquiolos terminales y bronquiolos respiratorios.
3.5.1.1. ALVÉOLOS PULMONARES Los bronquiolos respiratorios se continúan con los conductos alveolares y estos con los sacos alveolares. Los sacos alveolares contienen muchas estructuras diminutas con forma de saco llamadas alvéolos pulmonares. El bronquiolo respiratorio, el conducto alveolar, el saco alveolar y los alvéolos constituyen la unidad respiratoria.
3.6. PULMONES Órganos huecos, situados dentro de la cavidad torácica, a ambos lados del corazón y protegidos por las costillas. Posee tres caras: costal, mediastínica y diafragmática.
3.6.1. Pulmón derecho: es algo mayor que el izquierdo y pesa alrededor de 600 gramos. Presenta tres lóbulos: superior, medio e inferior, separados por cisuras.
3.6.2. Pulmón izquierdo: pesa cerca de 500 gramos y tiene dos lóbulos, uno superior y otro inferior. Cada pulmón contiene alrededor de 300 millones de alvéolos. La principal función de los pulmones es establecer el intercambio gaseoso con la sangre. Es por esa razón que los alvéolos están en estrecho contacto con los capilares. Además, actúan como un filtro externo ante la contaminación del aire, mediante sus células mucociliares y macrófagos alveolares.
4. Trastornos pulmonares
4.1. Métodos útiles para estudiar las anomalías respiratorias
4.1.1. Estudio de los gases y el pH en la sangre Una de las pruebas de función pulmonar más importantes es la determinación de la P o 2, del C 0 2 y del pH sanguíneos. Con frecuencia es importante hacer estas mediciones rápidamente como ayuda para determinar el tratamiento adecuado en la dificultad respiratoria aguda o en las alteraciones agudas del equilibrio acidobásico.
4.1.2. Determinación del C O z sanguíneo. También se puede utilizar un medidor de pH con un electrodo de vidrio para determ inar el C 0 2 sanguíneo de la siguiente manera: cuando se expone una solución débil de bicarbonato sódico al gas dióxido de carbono, el dióxido de carbono se disuelve en la solución hasta que se establece un estado de equilibrio.
4.1.3. Determinación del CO2 sanguíneo. También se puede utilizar un medidor de pH con un electrodo de vidrio para determinar el C 0 2 sanguíneo de la siguiente manera: cuando se expone una solución débil de bicarbonato sódico al gas dióxido de carbono, el dióxido de carbono se disuelve en la solución hasta que se establece un estado de equilibrio.
4.1.4. Determinación de la Po2 sanguínea: La concentración de oxígeno en un líquido se puede medir mediante una técnica denominada polarografía. Se hace que ñuya una corriente eléctrica entre un electrodo negativo pequeño y la solución. Si el voltaje del electrodo difiere del voltaje de la solución más de -0,6 V, el oxígeno se depositará sobre el electrodo. Además, la velocidad del flujo de corriente a través del electrodo será directamente proporcional a la concentración de oxígeno (y por tanto también a la Po2).
4.2. Fisiopatología de algunas alteraciones pulmonares concretas
4.2.1. Enfisema pulmonar crónico El término enfisema pulmonar significa literalmente exceso de aire en los pulmones. Sin embargo, este término se utiliza habitualmente para describir el proceso obstructivo y destructivo complejo de los pulmones que está producido por muchos años de tabaquismo. Se debe a las siguientes alteraciones fisiopatológicas importantes de los pulmones:
4.2.1.1. 1. Infección crónica, producida por la inhalación de humo o de otras sustancias que irritan los bronquios y los bronquíolos. La infección crónica altera gravemente los mecanismos protectores normales de las vías aéreas, incluyendo la parálisis parcial de los cilios del epitelio respiratorio, que es un efecto que produce la nicotina. En consecuencia, no se puede eliminar fácilmente el moco de las vías aéreas. Además, se produce la estimulación de una secreción excesiva de moco, que agrava aún más la enfermedad. Además, hay inhibición de los macrófagos alveolares, de modo que son menos eficaces para combatir la infección.
4.2.1.2. 2. La infección, el exceso de moco y el edema inflamatorio del epitelio bronquiolar en conjunto producen obstrucción crónica de muchas de las vías aéreas de m enor tamaño.
4.2.1.3. 3. La obstrucción de las vías aéreas hace que sea especialmente difícil espirar, produciendo de esta manera atrapamiento de aire en los alvéolos y sobredistendiéndolos. Esto, combinado con la infección pulmonar, produce una destrucción marcada de hasta el 50-80% de los tabiques alveolares.
4.2.2. Neumonía En la neumonía las funciones de intercambio gaseoso de los pulmones disminuyen en diferentes fases de la enfermedad. En las primeras fases, el proceso neumónico podría estar localizado sólo en un pulmón, con reducción de la ventilación alveolar pero manteniéndose un flujo sanguíneo normal a través del pulmón. Esto da lugar a dos alteraciones pulmonares principales: 1) reducción del área superficial disponible total de la membrana respiratoria, y 2) disminución del cociente ventilación-perfusión.
4.2.3. Atelectasia: significa colapso de los alvéolos. Puede aparecer en zonas localizadas del pulmón o en todo un pulmón. Algunas causas de atelectasia: 1) obstrucción total de las vías aéreas y 2) ausencia de surfactante en los líquidos que tapizan los alvéolos.
4.2.4. Tuberculosis el bacilo tuberculoso produce una reacción tisular peculiar en los pulmones, que incluye: 1) invasión del tejido por macrófagos y 2) tabicación de la lesión por tejido fibroso para formar el denominado tubérculo. Este proceso de tabicación contribuye a limitar la ulterior transmisión de los bacilos tuberculosos hacia los pulmones y, por tanto, forma parte del proceso de protección contra la extensión de la infección. Sin embargo, en aproximadamente el 3% de todas las personas que presentan tuberculosis, si no se las trata, el proceso de tabicación falla y los bacilos tuberculosos se diseminan por los pulmones, produciendo con frecuencia una destrucción muy marcada del tejido pulmonar con formación de grandes cavidades abscesificadas
4.2.5. Cianosis El término cianosis significa color azulado de la piel, y su causa son cantidades excesivas de hemoglobina desoxigenada en los vasos sanguíneos de la piel, especialmente en los capilares. Esta hemoglobina desoxigenada tiene un color azul oscuro-púrpura intenso que se transm ite a través de la piel.
4.2.6. Disnea Disnea significa angustia mental asociada a la imposibilidad de ventilar lo suficiente para satisfacer la necesidad de aire. Un sinónimo frecuente es hambre de aire