Estructura y función del sistema respiratorio

El sistema respiratorio comprende las vías respiratorias y los pulmones; su función principal es el intercambio de gas. El oxígeno del aire se transfiere a la sangre y el dióxido de carbono de la sangre se elimina hacia la atmósfera. Además del intercambio de gas, los pulmones sirven como una defensa del hospedero, al proporcionar una barrera entre el ambiente externo y el interior del cuerpo. Por último, el pulmón es también un órgano metabólico que sintetiza y metaboliza diferentes compuestos. Este capítulo se centra en la organización estructural del sistema respiratorio, intercambio de gases entre la atmósfera y los pulmones; intercambio de gases en los pulmones y su transporte en la sangre, y control de la respiración.

Conceptos clave

Los conceptos clave proporcionan un breve resumen de los aspectos más importantes de cada uno de los apartados correspondientes dentro del capítulo. Si alguno de estos puntos no está claro, acuda al apartado correspondiente para su revisión.

La respiración requiere ventilación o movimiento de gases hacia y desde los pulmones; perfusión, o movimiento de sangre por los pulmones, y difusión de gases entre los pulmones y la sangre.

La ventilación depende de las vías de conducción, que incluyen la nasofaringe y orofaringe, laringe y árbol traqueobronquial, que mueve el aire dentro y fuera de los pulmones pero sin participar en el intercambio de gas.

El intercambio de gas tiene lugar en las vías respiratorias de los pulmones, en donde los gases se difunden por la membrana alveolar-capilar cuando se intercambian el aire en los pulmones y la sangre que fluye por los capilares pulmonares.

La ventilación se refiere al movimiento de gases que entran y salen de los pulmones por un sistema de vías respiratorias abiertas y a lo largo de un gradiente de presión que resulta de un cambio en el volumen torácico.

Durante la inspiración, el aire se extrae hacia los pulmones cuando los músculos respiratorios expanden la cavidad torácica; durante la expiración, el aire sale de los pulmones a medida que los músculos torácicos retroceden y la cavidad torácica se vuelve más pequeña.

La facilidad con la que el aire entra y sale del pulmón depende de la resistencia de las vías respiratorias, la que se relaciona inversamente con la cuarta potencia del radio de las vías respiratorias, y la distensibilidad pulmonar o facilidad con que pueden inflarse los pulmones.

El intercambio de gases entre el aire en los alvéolos y la sangre en los capilares pulmonares requiere compatibilidad de la ventilación y la perfusión.

El espacio muerto se refiere al volumen de aire que se mueve con cada respiración pero que no participa en el intercambio de gas. El espacio muerto anatómico es el que está contenido en las vías respiratorias conductoras que por lo regular no participa en el intercambio de gas. El espacio muerto alveolar resulta de alvéolos que son ventilados pero no perfundidos.

Derivación se refiere a la sangre que se mueve del lado derecho al lado izquierdo de la circulación sin ser oxigenada. Con una derivación anatómica, la sangre se mueve del lado venoso al arterial de la circulación sin pasar por los pulmones. La derivación fisiológica resulta de la sangre que se mueve por partes no ventiladas del pulmón.

Resumen

Este apartado es un resumen del capítulo que le ayudará a repasar el núcleo fundamental de la materia de cara a un hipotético examen.

Organización estructural del sistema respiratorio

El sistema respiratorio consiste en los pasajes de aire y los pulmones, donde tiene lugar el intercambio de aire. Funcionalmente, los pasajes de aire del sistema respiratorio pueden dividirse en 2 partes: las vías respiratorias conductoras, por las que se mueve el aire cuando pasa hacia los pulmones y sale de ellos, y los tejidos respiratorios, donde en realidad se realiza el intercambio de gas. Las vías respiratorias conductoras incluyen los pasajes nasales, boca y nasofaringe, laringe y árbol traqueobronquial. El aire se entibia, filtra y humidifica cuando pasa por estas estructuras.

Los pulmones son las estructuras funcionales del sistema respiratorio. Además de su función de intercambio de gas, inactivan sustancias vasoactivas como la bradicinina; convierten angiotensina I a angiotensina II, y sirven como un reservorio para la sangre. Los lóbulos, que son las unidades funcionales del pulmón, están constituidos por bronquiolos respiratorios, alvéolos y capilares pulmonares. En éstos tiene lugar el intercambio de gas. El oxígeno de los alvéolos se difunde en la membrana alveolar-capilar hacia la sangre y el dióxido de carbono de la sangre se difunde hacia los alvéolos. Existen 2 tipos de células alveolares: tipo I y tipo II . Las primeras, que tienen como función el intercambio de gas del pulmón, son células escamosas en extremo delgadas que revisten la mayor parte de la superficie de los alvéolos. Las células tipo II, que producen tensoactivo y sirven como células progenitoras para las células tipo I, son pequeñas células cúbicas. Hay 4 tipos de proteína tensoactiva (SP): SP-A, SP-B, SP-C y SP-D. Las proteínas SP-B y SP-C proporcionan las propiedades que disminuyen la tensión superficial básica necesaria para facilitar el llenado de aire pulmonar. SP-A y SP-D modulan la respuesta inmune a patógenos extraños y participan en las respuestas inflamatorias locales.

Los pulmones son abastecidos con una alimentación de sangre dual: la circulación pulmonar proporciona la función de intercambio de gas de los pulmones, y la circulación bronquial distribuye sangre hacia las vías respiratorias conductoras y estructuras de soporte del pulmón.

Los pulmones reciben alimentación de un sistema dual de vasos linfáticos: un sistema superficial en la pleura visceral y un sistema profundo que nutre las estructuras pulmonares más profundas, incluso los bronquiolos respiratorios.

Las divisiones simpática y parasimpática del sistema nervioso autonómico inervan el sistema respiratorio.

La inervación parasimpática causa constricción de las vías respiratorias y un incremento en las secreciones respiratorias.

La inervación simpática ocasiona dilatación bronquial y una disminución de las secreciones del tracto respiratorio.

No hay inervación motora voluntaria del pulmón ni fibras de dolor. Las fibras de dolor se hallan sólo en la pleura.

Los pulmones están encerrados en una membrana serosa, delgada, transparente, de doble capa, llamada pleura. Una delgada película de líquido seroso separa las capas pleurales viscerales de la parietal interna, lo que permite que ambas capas se deslicen entre sí y se mantengan juntas, lo que impide cualquier separación entre los pulmones y la pared torácica. La cavidad pleural es un espacio potencial en el que se acumula el líquido seroso o exudado inflamatorio.

Intercambio de gases entre la atmósfera y los pulmones

El movimiento del aire entre la atmósfera y los pulmones sigue las leyes de la física en cuanto a su relación con los gases. El aire en los alvéolos contiene una mezcla de gases, que incluye nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Con excepción del vapor de agua, cada gas ejerce una presión que se determina por la presión atmosférica y la concentración del gas en la mezcla.

La presión de vapor de agua es afectada por la temperatura pero no por la presión atmosférica. El aire se mueve hacia los pulmones a lo largo de un gradiente de presión. La presión dentro de las vías respiratorias y los alvéolos de los pulmones se llama presión intrapulmonar (o alveolar); la presión en la cavidad pleural se conoce como presión pleural y la presión en la cavidad torácica se denomina presión intratorácica.La respiración es el movimiento de gases entre la atmósfera y los pulmones.

Requiere un sistema de vías respiratorias abiertas y cambios de presión que resultan de la acción de los músculos respiratorios para cambiar el volumen de la caja torácica. El diafragma es el músculo principal de inspiración, asistido por los músculos intercostales externos.

Los músculos escaleno y esternocleidomastoideo elevan las costillas y actúan como músculos accesorios para inspiración. La espiración es en gran medida pasiva, auxiliada por el retroceso elástico de los músculos respiratorios que se estiran durante la inspiración.

Cuando es necesario, los músculos abdominales e intercostales internos pueden utilizarse para incrementar el esfuerzo espiratorio.

La distensibilidad pulmonar describe la facilidad con que los pulmones pueden inflarse. Las fibras elásticas y de colágeno del pulmón, el contenido de agua, la tensión superficial de los alvéolos y la distensibilidad de la pared torácica determinan esta condición.

La distensibilidad pulmonar refleja también la tensión superficial y la interfase aire-epitelio de los alvéolos.

Las moléculas tensoactivas, producidas por las células alveolares tipo II, reducen la tensión superficial en los pulmones y, por tanto, incrementan la distensibilidad pulmonar.

El volumen de aire que entra y sale de la porción de intercambio de aire se relaciona de manera directa con la diferencia de presión entre los pulmones y la atmósfera, y se relaciona inversamente con la resistencia que encuentra el aire cuando se mueve por las vías respiratorias. Dependiendo de la velocidad y patrón de flujo, el flujo de aire puede ser laminar o turbulento. La resistencia de las vías respiratorias se refiere al impedimento a fluir que encuentra el aire cuando se mueve por estas vías. Difiere del tamaño de las vías respiratorias; es mayor en los bronquios de tamaño medio y menor en los bronquiolos más pequeños.

Los volúmenes y capacidades pulmonares reflejan la cantidad de aire que se intercambia durante la respiración normal y forzada. El volumen corriente (V_T) es la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones durante la respiración normal. El volumen de reserva inspiratorio (VRI) es la cantidad máxima de aire que puede inspirarse en exceso del V_T normal. El volumen de reserva espiratorio (VRE) es la cantidad máxima que puede exhalarse en exceso del V_T normal. El volumen residual (VR) es la cantidad de aire que permanece en los pulmones después de la espiración forzada.

Las capacidades pulmonares incluyen 2 o más volúmenes pulmonares. La capacidad vital es igual al VRI, más el V_T, más el VRE y es la cantidad de aire que puede exhalarse desde el punto de inspiración máxima. El volumen respiratorio por minuto, que se determina mediante las necesidades metabólicas del organismo, es la cantidad de aire que se intercambia en 1 minuto (es decir, frecuencia respiratoria y V_T).

Intercambio y transporte de gases

La oxigenación de la sangre y la remoción del dióxido de carbono son las principales funciones de los pulmones. El intercambio de gas pulmonar se divide de manera convencional en 3 procesos:

1. ventilación, o el flujo de gases hacia los alvéolos de los pulmones;
2. perfusión, o movimiento de sangre por los capilares pulmonares adyacentes, y
3. difusión, o transferencia de gases entre los alvéolos y los capilares pulmonares.

Control de la respiración

El sistema respiratorio requiere entrada continua desde el sistema nervioso. El movimiento del diafragma, músculos intercostales y otros músculos respiratorios se controla mediante las neuronas del centro respiratorio localizado en la protuberancia y la médula. El control de la respiración tiene componentes automáticos y voluntarios.

La regulación automática de la ventilación se controla mediante 2 tipos de receptores:

1. receptores pulmonares, que protegen las estructuras respiratorias, y
2. quimiorreceptores, que monitorean la función de intercambio de gas de los pulmones para detectar cambios en los niveles sanguíneos de dióxido de carbono, oxígeno y pH.

Existen 3 tipos de receptores pulmonares:

1. de estiramiento, que monitorean la inflación del pulmón;
2. de irritación, que protegen contra los efectos dañinos de inhalantes tóxicos, y
3. receptores J que, se cree, detectan la congestión pulmonar.

Hay 2 grupos de quimiorreceptores: centrales y periféricos.

Los quimiorreceptores centrales son los más importantes para detectar cambios en los niveles de dióxido de carbono y los quimiorreceptores periféricos, que funcionan en la detección de niveles de oxígeno sanguíneo arterial.

El control respiratorio voluntario se requiere para integrar la respiración y acciones como hablar, soplar y cantar. Estos actos, que se inician mediante la corteza motora y premotora, causan suspensión temporal de la respiración automática. El reflejo tusígeno protege a los pulmones de la acumulación de secreciones y de la entrada de sustancias irritantes y destructivas; es uno de los mecanismos de defensa primarios del tracto respiratorio. La disnea es una sensación subjetiva de la dificultad para respirar que se observa en trastornos cardíacos, pulmonares y neuromusculares que afectan los músculos respiratorios.