Sistema Respiratorio

El aparato respiratorio o sistema respiratorio es el encargado de captar el oxígeno (O2) del aire e introducirlo en la sangre y expulsar del cuerpo el dióxido de carbono (CO2) ―que es un desecho de la sangre y subproducto del anabolismo celular. En humanos y otros mamíferos, el sistema respiratorio consiste en vías respiratorias, pulmones y músculos respiratorios que median en el movimiento del aire tanto dentro como fuera del cuerpo humano.

El aparato respiratorio incluye:

• Fosas nasales (usadas para ingresar el aire al cuerpo),
• Tubos (como la tráquea y los bronquios),
• Los dos pulmones (donde ocurre el intercambio gaseoso).

El intercambio de gases es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, del ser vivo con el medio. Dentro del sistema de los pulmones, las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. Así, el sistema respiratorio facilita la oxigenación con la remoción contaminante del dióxido de carbono y otros gases que son desechos del metabolismo y de la circulación. El sistema respiratorio también ayuda a mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente eliminación de dióxido de carbono de la sangre. El diafragma, como todo músculo, puede contraerse y relajarse. En la inhalación, el diafragma se contrae y se allana, y la cavidad torácica se amplía. Esta contracción crea un vacío que succiona el aire hacia los pulmones (inhalación). En la exhalación, el diafragma se relaja y el aire es expulsado de los pulmones.

Fosas nasales

Según el tipo de epitelio que las tapiza se diferencian distinzas zonas: vestíbulo, area respiratoria y área olfativa.

Vestíbulo. En el extremo anterior de las fosas nasales se encuentra el véstibulo. El epitelio es pluriestratíficado, plano y no queratinizado. En la lámina propia situada por debajo hay un gran número de glándulas mucosas. En este epitelio también se observan pelos, que junto al moco segregado actua como filtro que impide la entrada de partículas a los pulmones.

Area respiratoria. es la región más extensa de las fosas nasales. En el área respiratoria el epitelio pasa a ser de movimiento de moco, que se dirige hacia la boca. En este epitelio respiratorio se observan células calciformes que segregan moco. Hay glándulas mucosas pluricelulares en la lámina propia. En el corion se observan dos plexos venosos muy desarrollados a ambos lados de la nariz que sirven para calentar el aire. Debajo del corion se encuentra el periostio, capa de tejido conjuntivo que rodea a los huesos.

Area olfatoria. Situada en el extremo superior de las fosas nasales. Se encuentran las células sensoriales encargadas del olfato

En organismos simples

Los protozoarios (organismos unicelulares), así como las hidras y las medusas (organismos pluricelulares que están compuestas por dos capas de células), respiran a través de su membrana celular (por medio de difusión) y sus mitocondria (véase respiración celular).

En organismos complejos

Los insectos, en cambio, bombean aire directamente a los tejidos corporales por medio de una red de tubos, llamados tráqueas, que se abren a los costados del cuerpo. La zona final del sistema traqueal está formada por finísimos conductos denominados «traqueolas».

Los peces introducen agua a través de su boca bañando las branquias donde captan oxígeno y liberan el dióxido de carbono; luego expulsan el agua a través del opérculo (una abertura que tienen a cada lado del cuerpo).

Los anfibios mudan su sistema respiratorio durante su paso desde su vida acuática (cuando son jóvenes) a la terrestre (cuando son adultos). Así, los renacuajos respiran por medio de branquias, igual que los peces; pero una vez realizada la metamorfosis (por ejemplo como ranas o sapos) respiran por medio de pulmones y en algunos casos, por la respiración cutánea.

En las aves, los órganos que intervienen en la respiración son llamados sacos aéreos, que están comunicados con los pulmones. Estos «sacos» sirven para almacenar el aire, pero no extraen el oxígeno, mientras que los pulmones si lo hacen. Existen sacos aéreos anteriores situados en la cavidad torácica y los sacos posteriores situados en el abdomen.

En el ser humano

El intercambio de gases es la provisión de oxigeno de los pulmones al torrente sanguíneo y la eliminación del dióxido de carbono (CO2) del torrente sanguíneo a los pulmones En los seres humanos, el sistema respiratorio consiste en las vías aéreas, pulmones y músculos respiratorios, que provocan el movimiento del aire tanto hacia adentro como hacia afuera del cuerpo. El intercambio de gases es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, del cuerpo con su medio. Dentro del sistema alveolar de los pulmones, las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. Así, el sistema respiratorio facilita la oxigenación con la remoción contaminante del dióxido de carbono (y otros gases que son desechos del metabolismo) de la circulación. El sistema también ayuda a mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente remoción de dióxido de carbono de la sangre.

El hombre utiliza respiración pulmonar, su aparato respiratorio consta de:

Sistema de conducción: fosas nasales, boca, epiglotis, faringe, laringe, tráquea, bronquios principales, bronquios lobulares, bronquios segmentarios y bronquiolos.

Sistema de intercambio: los conductos y los sacos alveolares. El espacio muerto anatómico, o zona no respiratoria (donde no hay intercambios gaseosos) del árbol bronquial incluye las 16 primeras generaciones bronquiales, siendo su volumen de unos 150 ml. La función del aparato respiratorio consiste en desplazar volúmenes de aire desde la atmósfera a los pulmones y viceversa. Lo anterior es posible gracias a un proceso conocido como ventilación. La ventilación es un proceso cíclico y consta de dos etapas: la inspiración, que es la entrada de aire a los pulmones, y la espiración, que es la salida. La inspiración es un fenómeno activo, caracterizado por el aumento del volumen torácico que provoca una presión intrapulmonar negativa y determina el desplazamiento de aire desde el exterior hacia los pulmones. La contracción de los músculos inspiratorios principales, diafragma e intercostales externos, es la responsable de este proceso. Una vez que la presión intrapulmonar iguala a la atmosférica, la inspiración se detiene y entonces, gracias a la fuerza elástica de la caja torácica, esta se retrae, generando una presión positiva que supera a la atmosférica y determinando la salida de aire desde los pulmones. En condiciones normales la respiración es un proceso pasivo. Los músculos respiratorios activos son capaces de disminuir aún más el volumen intratorácico y aumentar la cantidad de aire que se desplaza al exterior, lo que ocurre en la espiración forzada. Mientras este ciclo ventilario ocurre, en los sacos alveolares, los gases contenidos en el aire que participan en el intercambio gaseoso, oxígeno y dióxido de carbono, difunden a favor de su gradiente de concentración, de lo que resulta la oxigenación y detoxificación de la sangre. El volumen de aire que entra y sale del pulmón por minuto, tiene cierta sincronía con el sistema cardiovascular y el ritmo circadiano (como disminución de la frecuencia de inhalación/exhalación durante la noche y en estado de vigilia/sueño). Variando entre 6 a 80 litros (dependiendo de la demanda). Se debe tener cuidado con los peligros que implica la ventilación pulmonar ya que junto con el aire también entran partículas sólidas que puede obstruir y/o intoxicar al organismo. Las de mayor tamaño son atrapadas por los vellos y el material mucoso de la nariz y del tracto respiratorio, que luego son extraídas por el movimiento ciliar hasta que son tragadas, escupidas o estornudadas. A nivel bronquial, por carecer de cilios, se emplean macrófagos y fagocitos para la limpieza de partículas.

Control de la ventilación

La ventilación es controlada de forma muy cuidadosa y permite la regulación del intercambio gaseoso, es decir que los niveles normales de PaO2 y PaCO2 arteriales se mantengan dentro de límites estrechos a pesar de que las demandas de captación de O2 y eliminación de CO2 varían mucho. El sistema respiratorio se puede considerar un sistema de control de lazo cerrado ya que posee un grupo de componentes que regula su propia conducta, estos componentes pueden ser clasificados como: sensores que reúnen información y con ella alimentan al controlador central, en el encéfalo, que coordina la información y a su vez envía impulsos hacia los músculos respiratorios efectores, que causan la ventilación.

Sensores (entradas).

Los sensores protagonistas en el control de la respiración son los quimiorreceptores, estos responden a los cambios en la composición química de la sangre u otro líquido. Se han clasificado anatómicamente como centrales y periféricos. Quimiorreceptores centrales cerca de la superficie ventral del bulbo raquideo están rodeados por el líquido extracelular del cerebro y responden a los cambios de H+ en ese líquido. El nivel de CO2 en la sangre regula la ventilación principalmente por su efecto sobre el pH del LCR. Quimiorreceptores periféricos se hallan dentro de los cuerpos carotídeos, en la bifurcación de las arterias carótidas primitivas, y en los cuerpos aórticos por encima y por debajo del cayado aórtico, estos responden al descenso de la PO2 arterial y al aumento de la pCO2 y de los H+, estos son los responsables de cualquier aumento de la ventilación en el ser humano como respuesta de la hipoxemia arterial. En los pulmones también existen receptores sensoriales que intervienen en el control del calibre de las vías aéreas, la secreción bronquial, así como en la liberación de mediadores por las células cebadas u otras células inflamatorias, esta información llega a los centros superiores a través de las fibras sensoriales del nervio vago. Los receptores asociados a la vía vagal son los siguientes:

• Receptores de estiramiento pulmonar en el músculo liso de las vías aéreas, producen impulsos cuando se distiende el pulmón, y su actividad persiste mientras el mismo se encuentre insuflado.
• Receptores de sustancias irritantes entre las células epiteliales de las vías aéreas y son estimulados por gases nocivos y aire frío.
• Receptores J o yuxtacapilares las terminaciones nerviosas de estas fibras se encuentran situadas en el parénquima pulmonar en la vecindad de las paredes alveolares y los capilares pulmonares, son estimulados por el edema y la fibrosis pulmonar intersticio y dan lugar a la sensación de disnea en estos pacientes, además se señala que tiene un importante papel en la regulación de la secreción de surfactante pulmonar.
• Existen otros receptores correspondientes al sistema de control respiratorio o que de alguna manera pueden modificar la frecuencia ventilatoria:
• Receptores nasales y de las vías aéreas superiores la nariz, la nasofaringe, la laringe y la tráquea poseen receptores que responden a la estimulación mecánica y química. Se les atribuyen diversas respuestas reflejas, como estornudos, tos y broncoconstricción.
• Barorreceptores arteriales los barorreceptores de la aorta y los senos carotídeos por el aumento de la presión arterial puede causar hipoventilación o apnea reflejas. La disminución de la presión arterial causará hiperventilación.

Dolor y temperatura La estimulación de muchos nervios aferentes puede general cambios en la ventilación. El dolor muchas veces causa un período de apnea seguido de hiperventilación. El calentamiento de la piel puede causar hiperventilación.

Controlador central

El control de la ventilación es una compleja interconexión de múltiples regiones en el cerebro que inervan a los diferentes músculos encargados de la ventilación pulmonar. El proceso automático normal de la respiración se origina en impulsos que provienen del tallo cerebral, sin embargo, se puede tener cierto control voluntario dentro de determinados límites ya que los estímulos de la corteza se pueden priorizar respecto a los del tallo cerebral. Tallo cerebral periodicidad de la inspiración y espiración es controlada por neuronas ubicadas en la protuberancia y en el bulbo raquídeo, a estas se les denomina los Centros respiratorios, es un conjunto algo indefinido de neuronas con diversos componentes.

• Centros respiratorios bulbares: la región dorsal del bulbo está asociada con la inspiración, estas son las responsables del ritmo básico de la ventilación, y la región ventral con la espiración.
• Centro apneústico: se ubica en la parte inferior de la protuberancia. Los impulsos desde este centro tienen un efecto excitador sobre el área inspiratoria del bulbo.
• Centro neumotáxico: parte superior de la protuberancia en este centro se desactiva o inhibe la inspiración y así se regula el volumen inspiratorio y consecuentemente la frecuencia respiratoria.
• Corteza: en cierta medida la ventilación tiene un carácter voluntario, la hiperventilación voluntaria puede disminuir a la mitad la PCO2, si bien la alcalosis consiguiente puede causar tetania con contracción de los músculos de las manos y los pies, sin embargo la hipoventilación voluntaria es más difícil, el tiempo durante el cual se puede retener la respiración es limitado, por diversos factores, incluyendo la PCO2 y la PO2 arteriales.
• Otras partes del cerebro: sistema límbico y el hipotálamo, pueden afectar el patrón de la respiración, por ejemplo en alteraciones emocionales.

Efectores (salidas).

Como actuadores del sistema respiratorio están el diafragma, los músculos intercostales, abdominales y los músculos accesorios. En el contexto del control de la ventilación es fundamental que estos diversos grupos trabajen conjuntamente en forma coordinada. Hay evidencias de que en algunos neonatos, en particular los prematuros, existe falta de coordinación en la actividad de los músculos respiratorios, en especial durante el sueño. Por ejemplo, los músculos torácicos pueden realizar el trabajo inspiratorio mientras los músculos abdominales efectúan el trabajo espiratorio.

Adaptación a alturas

El organismo siempre conserva una atracción inspirada de oxígeno de 21 % (FiO2) porque la composición de la tierra es constante pero a medida que va aumentando la altitud irá bajando la presión atmosférica y por lo tanto la concentración de oxígeno que inspiramos también disminuirá.

Se da entonces el fenómeno de la hipoxia cuyas consecuencias son:

Inmediatas

Hay taquicardia y aumento del gasto cardíaco, aumento de la resistencia de la arteria pulmonar, hiperventilación (que si es excesiva puede llevar a una alcalosis metabólica), cambios psicóticos, el aumento de la frecuencia respiratoria y aumento de la presión venosa es por aumento del tono enérgico.

Crónicas

Aumento de la masa de glóbulos rojos, aumento del p50, compensación renal de la alcalosis respiratoria, aumento de la densidad de capilares musculares y aumento del número de mitocondrias y sus enzimas oxidativas.

Definición de los órganos

Vía nasal: Consiste en dos amplias cavidades cuya función es permitir la entrada y salida del aire, el cual se humedece, filtra y calienta a una determinada temperatura a través de unas estructuras llamadas cornetes.

Faringe: Conducto muscular membranoso, que ayuda a que el aire se vierta hacia las vías aéreas inferiores. Se divide en: Nasofaringe, Orofaringe y Laringofaringe.

Epiglotis: Cartílago perteneciente a la faringe, impide el paso de alimentos a la laringe durante la deglución. Funciona como una «tapa» al impedir que los alimentos entren en la laringe y en la tráquea al tragar, durante la deglución. También marca el límite entre la orofaringe y la laringofaringe.

Laringe: Conducto cuya función principal es la filtración del aire inspirado. Además, permite el paso de aire hacia la tráquea y los pulmones, y también tiene la función de órgano fonador al pasar el aire por las cuerdas vocales, produciendo el sonido.

Tráquea: Brinda una vía abierta al aire inhalado y exhalado hacia los pulmones.

Bronquio: Conducto tubular fibrocartilaginoso que conduce el aire desde la tráquea hasta los bronquiolos.

Bronquiolo: Conducto que conduce el aire desde los bronquios hasta los alvéolos.

Alvéolo: Divertículo terminal del árbol bronquial donde se produce la hematosis (Permite el intercambio gaseoso entre el aire inspirado y la sangre, de manera que en su interior la sangre elimina el dióxido de carbono y recoge oxígeno).

Pulmones: Órganos cuya función es realizar el intercambio gaseoso con la sangre, por ello los alvéolos están en estrecho contacto con los capilares.

Músculos intercostales: Músculos torácicos cuya función principal es la de movilizar un volumen de aire que sirva para, tras un intercambio gaseoso apropiado, aportar oxígeno a los diferentes tejidos.

Diafragma: Músculo que separa la cavidad torácica (pulmones, mediastino, etc.) de la cavidad abdominal (intestinos, estómago, hígado, etc.). Interviene en la respiración, descendiendo la presión dentro de la cavidad torácica y aumentando el volumen durante la inhalación y aumentando la presión y disminuyendo el volumen durante la exhalación. Este proceso se lleva a cabo, principalmente, mediante la contracción y relajación del diafragma.

Las vías nasales se conforman de:

• Células sensitivas.
• Nervio olfativo.
• Pituitaria.
• Cornetes.
• Fosas nasales.

Cifras gasométricas en sangre

• PaO2: Presión arterial de oxígeno. Medida en mmHg o kPa (equivalencias en SI).
• PaCO2: Presión arterial de dióxido de carbono.
• PACO2: Presión alveolar de dióxido de carbono.
• Presión alveolar de dióxido de carbono (PACO2)= 0,863 VCO2/VA
• Diferencia o gradiente alvéolo-arterial de carbónico. Normalmente es cero ya que PACO2 = PaCO2
• Diferencia o gradiente alvéolo-arterial de oxígeno = PAO2-PaO2×D (A-a) O2
• PAO2: Presión alveolar de oxígeno.
• Presión alveolar de oxígeno (PAO2)= PiO2- PaCO2/R
• PiO2: Presión inspiratoria de oxígeno.
• A nivel del mar esto supone: [(760-47)×FiO2]
• R: Cociente respiratorio, aproximadamente 0,8 (relación entre consumo de O2 (VO2) y producción de CO2 (VCO2)).
• FiO2: Fracción inspiratoria de oxígeno (aprox. 21 %, a nivel del mar).
• Para calcular los valores normales de la D(A-a)O2, en función de la edad se puede emplear la siguiente ecuación: D(A-a)O2= 2,5 + (0,21 × edad). En el nivel del mar, la presión parcial ejercida por el contenido de vapor de agua es de 47 mmHg y la del dióxido de carbono es de 40 mmHg, lo que hace que la presión del aire alveolar seco sea de 713 mmHg (760 − 47 = 713).
• VA: Ventilación alveolar, es la diferencia entre la ventilación pulmonar y la ventilación del espacio muerto.

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