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RESPIRACIÓN |
| Introducción a la respiración | Respiración en animales grandes | Sistema respiratorio humano | Anatomía sistema respiratorio | Mecanismo de la Respiración | Regulación de la Ventilación | Autoevaluación |
Las células heterótrofas obtienen energía de la oxidación de los compuestos que contienen carbono. Este proceso libera dióxido de carbono y, para máximos rendimientos energéticos, requiere oxígeno. La respiración -o ventilación- es el medio por el cual un animal obtiene oxígeno para la respiración que ocurre en sus células y se libera del dióxido de carbono.
Tanto el agua como el aire contienen oxígeno. El oxígeno entra a las células y a los tejidos corporales por difusión, moviéndose desde regiones donde su presión parcial es alta a regiones donde su presión parcial es baja. Sin embargo, el movimiento de oxígeno por difusión es eficiente sólo cuando hay un área superficial relativamente grande expuesta a la fuente de oxígeno y cuando la distancia por la cual el oxígeno debe difundir es corta.
Las branquias y pulmones surgieron como resultado de presiones selectivas que permitieron incrementar la eficiencia de los medios de intercambio gaseoso. Ambos órganos presentan grandes superficies para el intercambio de gases y tienen también una rica provisión de sangre que transporta estos gases hacia otras partes del cuerpo del animal.
La respiración en los animales grandes implica tanto la difusión como el flujo global. El flujo global lleva agua o aire a los pulmones o a las branquias y hace circular el oxígeno y el dióxido de carbono en el torrente sanguíneo. Los gases se intercambian por difusión entre la sangre y el aire de los pulmones o el agua que rodea a las branquias, y entre la sangre y los tejidos.
En los seres humanos, el aire entra a los pulmones a través de la tráquea y avanza hasta los bronquios y bronquiolos, que terminan en los alvéolos donde se produce el intercambio gaseoso.
Los cambios en el volumen de la cavidad torácica son los responsables de la variación en la presión de los pulmones. El sistema respiratorio humano funciona como resultado de cambios en la presión pulmonar que, a su vez, resultan de cambios en el tamaño de la cavidad torácica.
El oxígeno debe ser transportado a través de la sangre a todas las células del cuerpo. Los pigmentos respiratorios incrementan la capacidad transportadora de oxígeno de la sangre. En los vertebrados, el pigmento respiratorio es la hemoglobina que transporta el oxígeno. Cada molécula de hemoglobina tiene cuatro subunidades, cada una de las cuales puede combinarse con una molécula de oxígeno. El dióxido de carbono es transportado en el plasma sanguíneo principalmente en forma de ion bicarbonato.
La frecuencia y amplitud de la ventilación son controladas por neuronas respiratorias del tronco encefálico. Estas neuronas, activan neuronas motoras de la médula espinal que hacen que el diafragma y los músculos intercostales se contraigan y responden a señales causadas por cambios leves en las concentraciones del ion hidrógeno, del dióxido de carbono y del oxígeno en la sangre.
Respiración en animales grandes: algunos principios
Existen, básicamente, cinco tipos de sistemas respiratorios.
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a) En muchos organismos pequeños, desde protistas hasta lombrices de tierra, el intercambio gaseoso se produce a través de toda la superficie corporal.
b) En los gusanos planos, el intercambio gaseoso se produce a través de la superficie de un cuerpo plano, forma que incrementa la relación superficie/volumen y disminuye la distancia en que se desarrolla la difusión dentro del cuerpo.
c) Las branquias externas, como las de los gusanos poliquetos y algunos anfibios, incrementan la superficie de intercambio, pero están desprotegidas. En estos organismos, el intercambio gaseoso habitualmente ocurre también a través del resto de la superficie corporal.
d) Con branquias internas, el mecanismo de ventilación impulsa el agua sobre las superficies branquiales altamente vascularizadas, como en los peces.
e)El intercambio gaseoso en los extremos terminales de los tubos traqueales que se ramifican a través del cuerpo y penetran en todos los tejidos es característico de los insectos y algunos otros artrópodos terrestres.
f) Los pulmones, presentes en todos los vertebrados que respiran aire y en algunos invertebrados como los caracoles terrestres, son sacos altamente vascularizados en los cuales fluye aire por un mecanismo de ventilación.
En los animales grandes, las moléculas de oxígeno provenientes del ambiente externo se desplazan a los tejidos metabólicamente activos por difusión y flujo global .
El oxígeno proveniente del medio externo (aire o agua) alcanza, por flujo global, los pulmones o las branquias . Luego, por difusión pasa a través de este tejido epitelial hasta la sangre desde donde, por flujo global circula hasta los tejidos donde será utilizado. Finalmente, difunde desde la sangre a los fluidos intersticiales, y hasta las células individuales para la respiración celular.
El dióxido de carbono, que es producido en las células de los tejidos , sigue el camino inverso y se elimina del cuerpo. La hematosis es el intercambio de CO2 y O2 en función de sus diferencias de presión entre la sangre y la cavidad alveolar, a través de una membrana constituida por la pared del alvéolo y la del capilar.
En el Homo sapiens, como en muchos otros animales, la inspiración o inhalación y la espiración o exhalación del aire hacia y desde los pulmones, habitualmente ocurre a través de la nariz donde son atrapadas partículas extrañas y polvo. El aire entra a los pulmones a través de la tráquea y avanza desde allí hasta una red de túbulos cada vez más pequeños, los bronquios y bronquiolos, que terminan en pequeños sacos aéreos, los alvéolos. El intercambio gaseoso tiene lugar realmente a través de las paredes alveolares. El aire entra y sale de los pulmones como resultado de cambios en la presión pulmonar que, a su vez, resultan de cambios en el tamaño de la cavidad torácica.
En el siguiente esquema, apreciamos :
a) el aire entra a través de la nariz o de la boca y pasa a la faringe, entra en la laringe y sigue hacia abajo por la tráquea, bronquios y bronquiolos hasta los alvéolos
b) de los pulmones. Los alvéolos, de los que hay aproximadamente 300 millones en un par de pulmones, son los sitios de intercambio gaseoso.
c) El oxígeno y el dióxido de carbono difunden a través de la pared de los alvéolos y de los capilares sanguíneos.
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Desde las cavidades nasales, el aire pasa a la faringe y desde allí a la laringe que contiene las cuerdas vocales y está situada en la parte superior y anterior del cuello. El aire que pasa a través de las cuerdas vocales al espirar las hace vibrar y esto causa los sonidos del habla.
Desde la laringe, el aire inspirado pasa a través de la tráquea, un tubo membranoso largo también revestido de células epiteliales ciliadas.
La tráquea desemboca en los bronquios , que se subdividen en pasajes aéreos cada vez más pequeños llamados bronquiolos.
Los bronquios y los bronquiolos están rodeados por capas delgadas de músculo liso . La contracción y relajación de este músculo, que se halla bajo control del sistema nervioso autónomo ajustan el flujo de aire según las demandas metabólicas.
Los cilios de la tráquea, bronquios y bronquiolos baten continuamente, empujando el moco y las partículas extrañas embebidas en él hacia la faringe, desde donde generalmente son tragados.
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El intercambio real de gases ocurre por difusión -como consecuencia de diferentes presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono- en pequeños sacos aéreos, los alvéolos, rodeados por capilares. El endotelio de los capilares y las células epiteliales planas de los alvéolos constituyen la barrera de difusión entre el aire de un alvéolo y la sangre de sus capilares.
El intercambio de los gases por difusión se lleva a cabo debido a diferentes presiones parciales de oxígeno y de dióxido de carbono en el alvéolo y el capilar alveolar. Las cifras indican las presiones medidas en milímetros de mercurio.
Los pulmones están cubiertos por una membrana delgada conocida como pleura, que también reviste la cavidad torácica. La pleura secreta una pequeña cantidad de fluido que lubrica las superficies, de modo que éstas resbalan unas sobre otras cuando los pulmones se expanden y se contraen.
La boca y la faringe intervienen también
forman parte del aparato digestivo.
La laringe es, el órgano de la fonación, aunque constituye
también un paso obligado para los gases respiratorios.
La cavidad nasal
está situada encima de la boca, y se comunica con el exterior por los orificios
nasales, que puede considerarse como la entrada natural al aparato
respiraatorio.
Está recubierta por una mucosa, recubrimiento que se extiende
hasta los bronquios.
Desemboca por dos orificios en la faringe y ésta se abre, a su vez, en la
laringe.
La laringe,
constituida por nueve piezas cartilaginosas, con numerosos músculos que se
encargan de moverla.
Los cartílagos más representativos son:
Tiroides, denominado vulgarmente nuez o bocado de Adán.
Epiglotis, que tapa el orificio laringeo, contribuyendo a evitar que durante la deglución penetren alimentos por éste.
Aritenoides, que mueven las cuerdas vocales.
En el interior de la laringe, están las cuerdas vocales,
formadas por bandas de naturaleza fibrosa.
En ellas se produce la vibración sonora que origina la voz.
El árbol bronquial está constituido por el conjunto de la tráquea, los bronquios y los bronquiolos.
La tráquea
es un tubo de unos 12 cm. de longitud y 2 cm. de
diámetro, constituida fundamentalmente por anillos incompletos de cartílago en
forma de C. La rigidez cartilaginosa impide que el tubo
se colapse.
La tráquea se bifurca en dos ramas, que son
los bronquios principales,
con una estructura semejante a la de la tráquea pero con los anillos
cartilaginosos completos.
Penetran en los pulmones, en donde se dividen en ramas más delgadas llamadas
bronquios secundarios,
los cuales continúan subdividiéndose originando los
bronquiolos. Los bronquiolos, se van ramificando progresivamente dando tubos cada vez más pequeños hasta formar los conductos alveolares, los cuales acaban en los sacos alveolares cuyas paredes están formadas por unas vesiculitas denominadas alvéolos pulmonares.
Los pulmones, son órganos
de forma cónica, situados dentro de la cavidad torácica.
El pulmón derecho está dividido en tres lóbulos y el izquierdo presenta dos.
Los pulmones están constituidos por los alveólos, sacos alveolares, conductos
alveolares, bronquiolos, y una gran red de vasos sanguineos.
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Las arterias pulmonares penetran en los pulmones y se
ramifican profusamente en infinidad de arteriolas. Alrededor de cada alveólo
hay una red de capilares que interviene en el intercambio gaseoso.
Estos capilares, se reunen en pequeñas vénulas que conducen la sangre
oxigenada al corazón.
Los pulmones están rodeados por unas membranas, las pleuras entre las que queda una cavidad pleural ocupada por el líquido pleural.
Los cambios en el volumen de la cavidad torácica son los responsables de la variación en la presión de los pulmones.
Inhalamos contrayendo el diafragma en forma de cúpula, que aplana y alarga la cavidad torácica, y contrayendo los músculos intercostales, que empujan la caja torácica hacia arriba y hacia afuera. Estos movimientos agrandan la cavidad torácica; dentro de ella disminuye la presión y el aire entra a los pulmones. El aire es forzado a salir de los pulmones cuando los músculos se relajan y el sistema vuelva a su equilibrio, reduciéndose el volumen de la cavidad torácica.
El sentido del flujo aéreo en las vías respiratorias depende de la diferencia de presión entre el alvéolo y la atmósfera. Cuando la presión alveolar es mayor que la presión atmosférica , el aire sale y se produce la espiración. Cuando la presión alveolar es menor que la atmosférica, el aire fluye hacia adentro y ocurre la inspiración. Este proceso cíclico, que es la base de la ventilación, se halla bajo control del sistema nervioso autónomo .
El mecanismo de intercambio gaseoso del organismo con el exterior presenta dos etapas:
La ventilación pulmonar. Consiste en :
La inspiración, o entrada de aire a los pulmones. Este mecanismo es diferente en distintos grupos de vertebrados:
en anfibios es una deglución, como si se tragaran el aire.
En aves por la compresión de los sacos aéreos por los músculos de las alas.
En mamíferos, (ver figura ) el aire entra activamente en los pulmones al dilatarse la caja torácica
La espiración, o salida de aire, se realiza pasivamente.
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El intercambio de gases en los pulmones.
Se realiza debido a la diferente concentración de gases que hay entre el
exterior y el interior de los alvéolos; por ello, el O2 pasa al
interior de los alvéolos y el CO2 pasa al espacio muerto (conductos
respiratorios).
A continuación se produce el intercambio de gases entre el aire alveolar y la
sangre.
Cuando la sangre llega a los pulmones tiene un alto contenido en CO2
y muy escaso en O2. El O2 pasa por
difusión a través de
las paredes alveolares y capilares a la sangre. Allí es transportada por la
hemoglobina
, localizada en los glóbulos rojos, que la
llevará hasta las células del cuerpo donde por el mismo proceso de difusión
pasará al interior para su posterior uso.(figuraA)
El mecanismo de intercambio de CO2 es semejante, pero en sentido contrario, pasando el CO2 a los alveólos. (figura B). El CO2, se transporta disuelto en el plasma sanguíneo y también en parte lo transporta los glóbulos rojos.
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FIGURA A FIGURA B
Mas datos ...
Respiracion Celular
Es el catabolismo de las moléculas orgánicas. En el proceso aerobio se consume O2 y se liberan CO2 y energía, que se almacena en forma de ATP.
Difusión
La difusión es un fenómeno físico, por el que una
sustancia disuelta es capaz de atravesar una membrana que separa dos
disoluciones.
La difusión de las moléculas disueltas, en este caso el O2 o el
CO2, se produce de la disolución que tenga mayor concentración
(hipertónica) hacia la de menor (hipotónica) y cesa cuando se alcanza el
equilibrio (isotónica).
La ventilación es controlada por el sistema nervioso , que ajusta la frecuencia y la amplitud de la inspiración y espiración de acuerdo con las demandas del organismo. Lo hace de tal manera que las presiones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial casi no se alteran. Este ajuste se realiza a través de un grupo disperso de neuronas -el centro respiratorio bulbar -del bulbo raquídeo y la protuberancia del tallo cerebral , responsable del control de la respiración normal que es rítmica y automática.
En el centro respiratorio bulbar hay dos grupos de núcleos: el grupo respiratorio dorsal y el grupo respiratorio ventral. Ambos se conectan con las neuronas motoras de la médula espinal que controlan la musculatura respiratoria (diafragma y músculos intercostales).
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El centro respiratorio se halla modulado, a su vez, por la información nerviosa proveniente de: quimiorreceptores centrales (en la cara ventral del bulbo raquídeo), quimiorreceptores periféricos (en el cayado de la aorta y el inicio de las arterias carótidas que irrigan el cerebro), receptores de estiramiento del parénquima pulmonar, por la irritación en las vías aéreas inferiores (bronquios y bronquiolos) y receptores del dolor en los capilares pulmonares. Esta modulación funciona como un sistema de retroalimentación capaz de autorregularse y mantener una ventilación eficiente.
Por otra parte, el centro respiratorio también se encuentra bajo influencia de estructuras nerviosas superiores, como la protuberancia y el mesencéfalo y la corteza cerebral, que permite el control voluntario de la ventilación.
Hay además una modulación química de la ventilación. Existen quimiorreceptores centrales y periféricos que monitorean los parámetros sanguíneos asociados a la respiración (la PO2 arterial, la PCO2 y el pH plasmático).
Este sistema es extremadamente sensible a cualquier cambio. Si la PCO2 y, por lo tanto, la concentración de iones H+ se incrementa sólo ligeramente, la respiración inmediatamente se hace más profunda y más rápida, permitiendo que más dióxido de carbono deje la sangre hasta que la concentración de iones H+ haya retornado a la normalidad.
El complejo sistema de sensores, que vigila diferentes factores en diferentes ubicaciones, subraya la importancia crítica de una provisión ininterrumpida de oxígeno a las células del cuerpo de un animal, particularmente a las células cerebrales.
1.Seleccione cuál de las siguientes afirmaciones referidas al sistema respiratorio es falsa:
a)En las branquias de los peces, los vasos de la circulación están dispuestos de modo tal que la sangre es bombeada a través de ellos en la misma dirección a la del agua que contiene oxígeno. Esta disposición da como resultado una transferencia de oxígeno a la sangre mucho más eficiente.
b)La hematosis es el intercambio de CO2 y O2 en función de sus diferencias de presión entre la sangre y la cavidad alveolar, a través de una membrana constituida por la pared del alvéolo y la del capilar
c)El sentido del flujo aéreo en las vías respiratorias de los organismos que respiran por pulmones depende de la diferencia de presión entre el alvéolo y la atmósfera.
d)Un rasgo importante de los pulmones de todos los vertebrados es que el intercambio de aire con la atmósfera ocurre por flujo global, como resultado de cambios en el volumen pulmonar.
2. CUESTIONARIO
Distinga entre lo siguientes términos: branquias/ pulmones; tráquea/faringe/laringe; bronquios/bronquiolos/alvéolos; hemoglobina/mioglobina y hemocianina.
¿Por qué se utilizan los cálculos de presión parcial para determinar el movimiento de gases entre los líquidos y la atmósfera, y no las concentraciones?
¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de obtener oxígeno del aire y no del agua? Usted debería pensar en otras además de las mencionadas en el texto de estudio.
Dibuje y rotule un diagrama del sistema respiratorio humano. Cuando haya terminado, compare su dibujo con la figura de este articulo o del texto de estudio.
Uno de los resultados del consumo prolongado de cigarrillos es la pérdida de los cilios bronquiales. ¿Qué efectos esperaría que esto causara en el funcionamiento normal de los pulmones?
Suponga que un nuevo remedio contra el resfrío garantiza la supresión completa de la secreción de moco del tracto respiratorio. Explique por qué usted usaría o no este medicamento durante un resfrío.
Fuentes : Invitación Biología, Curtis-Apuntes Prof. Luengo
