Biofísica del aparato respiratorio

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APARATO RESPIRATORIO

La principal función del aparato respiratorio es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. El oxígeno inhalado penetra en los pulmones y alcanza los alvéolos. Las capas de células que revisten los alvéolos y los capilares circundantes se disponen ocupando el espesor de una sola célula y están en contacto estrecho unas con otras. Esta barrera entre el aire y la sangre tiene un grosor aproximado de una micra (3/10 000 cm). El oxígeno atraviesa rápidamente esta barrera aire–sangre y llega hasta la sangre que circula por los capilares. Igualmente, el dióxido de carbono pasa de la sangre al interior de los alvéolos, desde donde es exhalado al exterior.
La sangre oxigenada circula desde los pulmones por las venas pulmonares y, al llegar al lado izquierdo del corazón, es bombeada hacia el resto del cuerpo. La sangre con déficit de oxígeno y cargada de dióxido de carbono vuelve al lado derecho del corazón a través de dos grandes venas: la vena cava inferior y la vena cava superior. A continuación, la sangre es impulsada a través de la arteria pulmonar hacia los pulmones, donde recoge el oxígeno y libera el dióxido de carbono. 

Anatomía del aparato respiratorio humano.
1. Orificios nasales. Son dos orificios que comunican el exterior con las ventanas nasales, en el interior de las cuales hay unos pelos que filtran el aire y unas glándulas secretoras de moco que retienen el polvo y humedecen el aire. 
2. Fosas nasales. Son dos amplias cavidades situadas sobre la cavidad bucal. En su interior presentan unos repliegues denominados cornetes, que frenan el paso del aire, favoreciendo así su humidificación y calentamiento.
3. Faringe. Es un conducto de unos 14cm que permite la comunicación entre las fosas nasales, la cavidad bucal, el oído medio (a través de las trompas de Eustaquio), la laringe y el esófago. 
4. Boca. Permite la entrada de aire pero sin el filtrado de polvo y la humidificación que proporcionan las fosas nasales.
5. Lengua. Este órgano presiona el alimento contra el paladar para introducir los alimentos. 
6. Epiglotis. Es una lengüeta que cuando es empujada por un bolo alimenticio se abate sobre la glotis cerrando el acceso e impidiendo así alimento se introduzca que el dentro de la tráquea 

7. Laringe. Es un corto conducto de unos 4cm de longitud que contiene las cuerdas vocales. 
8. Cuerdas vocales. Son dos repliegues musculares y fibrosos que hay en el interior de la laringe. El espacio que hay entre ellas se denomina glotis y da paso a la tráquea. Constituyen el órgano fonador de los humanos. 
9 . Cartílago tiroides. Es el primer cartílago de la tráquea. Está más desarrollado en los hombres. En estos provoca una prominencia en el cuello denominada la nuez de Adán y una voz más grave. 
10. Esófago. Es un conducto del aparato digestivo que se encuentra detrás de la tráquea . 
11. Tráquea. Conducto de unos 12cm de longitud y 2cm de diámetro, constituido por una serie de cartílagos semianulares cuyos extremos posteriores están unidos por fibras musculares. Esto evita los roces con el esófago, cuando por este pasan los alimentos 
12. Pulmones. Son dos masas globosas. El pulmón derecho tiene tres lóbulos y el izquierdo sólo dos. 
13. Arteria pulmonar. Contiene sangre pobre en oxígeno y rica en dióxido de carbono, que se mueve desde el corazón hacia los pulmones
14. Vena pulmonar. Contiene sangre rica en oxígeno y pobre en dióxido de carbono que se mueve desde los pulmones hacia el corazón. 
15. Músculos intercostales externos. Son los que levantan las costillas para aumentar el volumen de la cavidad torácica y así producir la inspiración. 
16. Costillas
17. Pleuras. Son dos membranas que rodean los pulmones. El espacio que hay entre ellas está lleno del denominado líquido pleural. Su finalidad es evitar el roce entre los pulmones y las costillas. 
18. Cavidad torácica. Es la cavidad formada por las costillas y el esternón, dónde se alojan los pulmones. 
19. Bronquios. Son los dos conductos en los que se bifurca la tráquea.
20. Bronquiolos. Son las ramificaciones de los bronquios. Las últimas ramificaciones originan los denominados capilares bronquiales que finalizan en los sáculos pulmonares, que son cavidades con numerosas expansiones globosas denominadas alvéolos pulmonares. Considerando los dos pulmones hay unos 500 millones de alvéolos pulmonares. 
21. Cavidad cardíaca. Es una concavidad en el pulmón izquierdo en la que se aloja el corazón 
22. Diafragma. Se trata de una membrana musculosa que durante la inspiración desciende permitiendo la dilatación pulmonar y durante la espiración asciende favoreciendo el vaciado de los pulmones 



Intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares

Para mantener el intercambio entre oxígeno y dióxido de carbono, entran y salen de los pulmones entre 5 y 8 L de aire por minuto, y cada minuto se transfiere alrededor del 30% de cada litro de oxígeno desde los alvéolos hasta la sangre, aun cuando la persona esté en reposo. Al mismo tiempo, un volumen similar de dióxido de carbono pasa de la sangre a los alvéolos y es exhalado. Durante el ejercicio, es posible respirar más de 100 L de aire por minuto y extraer de este aire 3 L de oxígeno por minuto. La velocidad de entrada del oxígeno en el organismo es una medida importante de la cantidad total de energía consumida por este. La inspiración y la espiración se llevan a cabo gracias a los músculos respiratorios.

 Fuente: https://www.msdmanuals.com/es-ec/hogar/trastornos-del-pulm%C3%B3n-y-las-v%C3%ADas-respiratorias/biolog%C3%ADa-de-los-pulmones-y-de-las-v%C3%ADas-respiratorias/intercambio-de-ox%C3%ADgeno-y-di%C3%B3xido-de-carbono

Intercambio de gases

 El intercambio de los gases se va a estar dando en los Alvéolos

 Cuando el aire entra en los pulmones, primero circula por los bronquios y luego por las divisiones repetidas de los bronquiolos que dan lugar a los bronquiolos terminales o respiratorios. Estos, a su vez, se abren en el conducto alveolar, del cual derivan los sacos aéreos. La pared de cada conducto alveolar y de los sacos aéreos está formada por varias unidades llamadas alvéolos. 

 Cada pulmón tiene 300 millones de alvéolos, lo que da una superficie de 70 m2 para dos pulmones. Es una enorme superficie de intercambio de gases respiratorios (CO2 y O2). 

 El movimiento de los gases respiratorios es por simple difusión: la concentración de oxígeno es mayor en los alvéolos que en los capilares, de modo que este gas se difunde de los alvéolos a la sangre. En cambio, el CO2 está más concentrado en la sangre que en los alvéolos, por lo que se difunde de los capilares hacia el espacio alveolar

Los alvéolos están revestidos por una monocapa muy delgada de células epiteliales y además poseen una alta irrigación sanguínea, lo que permite que los gases se difundan libremente a través de su pared hacia los capilares sanguíneos. 

 En los capilares sanguíneos, los glóbulos rojos serán los encargados de transportar el oxígeno hasta las células. El O2 es transportado en los glóbulos rojos asociado a la hemoglobina formando oxihemoglobina. El CO2 se trasporta disuelto en el agua del plasma (8%), combinado con la hemoglobina (25%) y un 67% lo hace como aniones bicarbonato (HCO3 – ).   


Presiones respiratoria

Hay cuatro presiones en el aparato respiratorio que han de ser consideradas a la hora de analizar los movimientos respiratorios:
Presión bucal o atmosférica. Corresponde a la del aire en la atmósfera.
Presión alveolar o intrapulmonar. Es la presión del aire contenido en los alvéolos.
Presión pleural o intrapleural. Es la presión que se mide entre las dos hojas de la pleura. Debido a las propiedades elásticas de pulmón y tórax que traccionan en sentidos opuestos, el pulmón hacia adentro y el tórax hacia fuera, se genera una presión intrapleural negativa.
Presión transpulmonar. Es una de las presiones transmurales que puede medirse en el aparato respiratorio. Corresponde a la diferencia entre la presión alveolar menos la presión pleural.
Estas presiones se modifican a lo largo del ciclo respiratorio. 

 Fuente: https://ocw.unican.es/mod/page/view.php?id=552

Mecanismo que llevan y se oponen al colapso pulmonar

El organismo puede considerarse como una máquina de combustión interna que quema principalmente grasas e hidratos de carbono y obtiene así la energía que necesita para realizar sus múltiples funciones. Este proceso consume oxígeno y produce anhídrido carbónico. El aire atmosférico suministra el primero y recibe el segundo.
Como la combustión tiene lugar en las células situadas profundamente en los tejidos, es necesario un medio de conexión con la atmósfera. Este nexo es la corriente sanguínea, que transporta los gases en solución física y en combinaciones fisicoquímicas. 
Se comprende que a mayor trabajo del organismo hay más gasto energético y, por lo tanto, mayor necesidad de transporte de gases entre las células y el ambiente. Este se logra aumentando el gasto cardíaco con redistribución del flujo sanguíneo hacia los órganos en actividad que, además, extraen una mayor cantidad de oxígeno de la sangre que pasa por sus tejidos. Por estos mecanismos se puede llegar a aumentar diez veces el intercambio gaseoso entre células y sangre, lo que exige aumentar el intercambio entre sangre y atmósfera. 
 Este último proceso, o respiración externa, requiere que la sangre se exponga al contacto con el aire en una amplia superficie y para ello fluye por un extenso territorio capilar separado de la atmósfera por una membrana de medio a un micrón de espesor que prácticamente no interfiere con una rápida difusión gaseosa. Tal superficie vascular no puede, por su extensión (60-90 m2) y su fragilidad, estar en la superficie del cuerpo. En los mamíferos el problema se soluciona con la existencia de los pulmones, que pueden considerarse como una invaginación del espacio externo hacia el interior del organismo bajo la forma de vías aéreas y finalmente, alvéolos, los cuales tienen amplio y estrecho contacto con una densa malla capilar. Este conjunto constituye los pulmones que quedan contenidos y protegidos dentro de la caja torácica que, además, actúa como elemento motor. 
 Es evidente que, si el aire de los alvéolos no se renueva en proporción a la perfusión sanguínea, el oxígeno se agotará rápidamente siendo reemplazado por CO2. Un fenómeno mecánico, la ventilación pulmonar, renueva en forma parcial y periódica el aire alveolar y mantiene dentro del pulmón una composición adecuada para el intercambio gaseoso o hematosis.
En suma: el pulmón es un intercambiador de gases que recibe, por un lado, aire que se renueva continuamente por acción del fuelle o bomba toracopulmonar y, por el otro, sangre que se mantiene en circulación entre tejidos y pulmón por acción de la bomba cardiaca.

La coordinación entre la función de estos dos sistemas entre sí y de ambos con las necesidades del organismo está a cargo del sistema nervioso, con sus centros respiratorios y circulatorios. La actividad de estos núcleos coordinadores es modulada por la información suministrada por receptores situados en diferentes regiones del organismo.
De acuerdo a lo expuesto, se puede apreciar que la función respiratoria es compleja y que requiere de la participación coordinada de varios grupos de órganos, uno de los cuales es el aparato respiratorio. 
 La separación del aparato respiratorio del aparato circulatorio, sistema nervioso, tejidos y sangre sólo se justifica por razones didácticas, y con esta misma justificación abordaremos la función respiratoria como si fuera una sucesión de fenómenos o etapas diferentes:
  • Ventilación pulmonar: fenómeno mecánico que asegura el recambio del aire contenido dentro de los alvéolos.
  • Distribución y relación ventilación/perfusión: renovación proporcional del aire y de la sangre a cada lado de la membrana de difusión.
  • Difusión o transferencia: intercambio de gases entre aire y sangre a través de la membrana alveolocapilar.
  • Transporte de O2 y CO2 efectuado por la sangre entre el pulmón y las células.
  • Regulación de la respiración: conjunto de mecanismos de control de la respiración y coordinación con la circulación, demandas metabólicas, equilibrio acido-base, fonación, deglución,etc.
  • Hemodinámica de la circulación pulmonar.
  • Funciones del espacio pleural.
  • Mecanismos de defensa mecánicos, celulares y humorales, que tienen un importante papel, dado el amplio contacto del pulmón con los contaminantes ambientales a través de los más de 10.000 litros de aire que se ventilan diariamente.
Además, la entrada al aparato respiratorio está en la faringe y contigua a la boca, cavidades de gran población microbiana.
  • Filtro de partículas que circulan por la sangre (coágulos, agregados plaquetarios, trozos de tejidos, etc.), función para la cual tiene la ventaja ventaja de ser el único órgano, aparte del corazón, por el cual pasa continuamente el total de la sangre.
  • Actividad metabólica local: los neumocitos tipo II elaboran el surfactante, sustancia que regula la tensión superficial en la interfase aire/liquido en las paredes alveolares y, además, inactivan algunas sustancias circulantes.
  • Reservorio de sangre: por la amplitud y distensibilidad de su lecho vascular.
  • Equilibrio ácido base
  • Balance hidrico : el aire inspirado es saturado de vapor de agua en la nariz y vías aéreas  y , al ser expirado  es responsable de un 10-20%  del total de la pérdida de agua del organismo.
  • Balance calórico: por el mismo mecanismo la respiración causa el 5-10% de la pérdida calorica total del organismo.
 La normalidad de estas funciones está íntimamente ligada a la normalidad de su sustrato morfológico. En el análisis de la función y clínica recurriremos repetidamente a diferenciar, en este aspecto, tres compartimentos (Figura II) que, si bien son partes inseparables de un todo, tienen ciertas particularidades que determinan su forma de funcionar, de enfermar y de manifestar su patología. 


 Fuente: http://biofisicamedicinaug.blogspot.com/2015/09/mecanismo-quellevan-y-se-oponen-al.html

Volúmenes y capacidades pulmonares

Son los valores habituales de los distintos parámetros que se pueden medir en el Sistema Respiratorio y que van a ser útiles, sobre todo en las situaciones patológicas en las que va a haber una variación de estos valores.
Volumen corriente – VT:
Es la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones en una respiración normal. Su valor promedio es de 500 ml.
Volumen de reserva inspiratório – VRI: 
Hace referencia a la cantidad de aire que entra en los pulmones en una inspiración máxima, es decir, forzada además del volumen corriente. Su valor promedio es de 3000 ml.
Volumen de reserva espiratório – VRE: 
Se refiere cantidad de aire que puede expulsarse del pulmón en una espiración forzada además del volumen corriente. Su valor promedio es de unos 1200 ml.
Volumen residual – VR:
Alude a la cantidad de aire que queda en el interior de las vías respiratorias y en el interior de los pulmones que no puede expulsarse tras una espiración forzada. Este volumen garantiza el estado de llenado parcial que tienen los pulmones. Su valor promedio es de 1200 ml. 
De la combinación de estos volúmenes aparecen las capacidades pulmonares
Las capacidades pulmonares son las medidas diagnósticas que nos permiten calcular la insuficiencia respiratoria. Estas son: 
  • Capacidad inspiratória – CI: Es la cantidad de aire total que puede entrar en los pulmones tras una inspiración forzada. volumen corriente + volumen de reserva inspiratorio: 500 + 3 000 = 3 500 ml. 
  • Capacidad espiratória – CE: Es la cantidad de aire que se puede expulsar de los pulmones tras espiración máxima. volumen corriente + volumen de reserva espiratorio: 500 + 1 200 = 1 700 ml. 
  • Capacidad funcional residual – CPR: Es la cantidad de aire que queda en los pulmones tras una espiración tranquila. Volumen de reserva espiratorio + volumen residual: 1 200 + 1 200 = 2 400 ml. 
  • Capacidad vital – CV: Esta capacidad es una de las principales medidas respiratorias. Es el volumen corriente + volumen de reserva inspiratorio + volumen de reserva espiratorio: 500 + 3 000 + 1 200 = 4 700 ml. Puede variar con el sexo, la talla, la constitución física. También, es la cantidad de aire que puede expulsarse mediante una espiración forzada tras una inspiración forzada.
  • Capacidad pulmonar total – CPT: nos mide la cantidad de aire que cabe en el pulmón. Capacidad vital + volumen residual = 5 900 ml. 


Regulación de la respiración
La respiración es  un proceso automático y rítmico mantenido constantemente que puede modificarse bajo el influjo de la voluntad, pudiendo cambiar tanto la profundidad de la respiración como la frecuencia de la misma. La respiración no siempre es un proceso absolutamente regular y rítmico, ya que ha de ir adaptándose constantemente a las necesidades del organismo, para aportar el oxígeno necesario al metabolismo celular y eliminar el anhídrido carbónico producido durante el mismo.
A nivel central, la respiración está controlada por diversas zonas del tronco del encéfalo que se conocen con el nombre de centros respiratorios y que son:
1.Centros bulbares.
2.Centro apnéustico.
3.Centro neumotáxico.
4.Centros superiores.

Sirve para medir volúmenes y capacidades tales como:
  • Volúmenes de ventilación pulmonar
  • Volúmenes de reserva inspiratoria
  • Volúmenes de reserva espiratoria

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