TEMA 9

Intercambio de Gases en Pulmones y Tejidos

• La respiración suministra oxígeno a las células para su metabolismo, donde el oxígeno actúa como aceptor final en la cadena de transporte de electrones y sin él, la célula no puede transferir energía al ATP de forma eficiente.
• El organismo necesita respirar para eliminar el CO2, cuya acumulación acidifica los fluidos corporales, dañando principalmente el SNC.
• El O2 y el CO2 se transportan entre los pulmones y el exterior, y viceversa y los mecanismos implicados son la difusión, la convección y el transporte activo del CO2 como ion bicarbonato.

Mecanismos de Transporte de Gases

• La difusión es el movimiento aleatorio de moléculas a través de la membrana respiratoria y fluidos adyacentes y participa en el intercambio de gases entre el alvéolo pulmonar y el plasma sanguíneo, o el interior del eritrocito.
• El proceso de difusión se produce a favor de un gradiente de presión parcial, representando la concentración de un gas en una mezcla, como en el aire o la sangre.
• El O2 se mueve hacia la sangre en los pulmones y el CO2 en dirección opuesta.
• La velocidad de difusión del gas a través de las membranas depende de la diferencia de presión parcial y solo las moléculas en estado gaseoso libre pueden difundir.
• La convección es el transporte de gases cuando un líquido o gas fluye por un conducto y en el sistema respiratorio, ocurre desde la atmósfera hasta los alvéolos.
• En el sistema circulatorio, la convección ocurre desde los pulmones a los tejidos periféricos y viceversa.
• La convección es más rápida que la difusión y depende de la geometría del flujo, pudiendo ser unidireccional (en el sistema circulatorio) o bidireccional (en el respiratorio).

Movimiento de Gases en el Organismo

• El O2 y el CO2 entran y salen de la sangre a nivel de los alvéolos pulmonares y capilares sistémicos, mediante difusión entre compartimentos y convección con la sangre y el exterior.
• La presión parcial de O2 en el saco alveolar es de 100 mmHg, mientras que en la sangre que llega a los pulmones es de 40 mmHg.
• Al salir de los pulmones, la sangre alcanza los 100 mmHg de O2 debido a un equilibrio con el aire alveolar.
• En los tejidos periféricos, la presión parcial de O2 es de 40 mmHg, lo que permite que la sangre se disocie del oxígeno.
• Respecto al CO2, la presión parcial en los alvéolos es de 40 mmHg, mientras que en la sangre venosa que llega a los pulmones es de 46 mmHg.
• La sangre arterial, tras el intercambio, contiene una presión parcial de CO2 de 40 mmHg.
• En los tejidos periféricos, la presión parcial de CO2 aumenta a 46 mmHg, facilitando su incorporación a la sangre.
• La sangre venosa es más ácida que la arterial, lo cual influye en la interacción con la hemoglobina.

Intercambio de Gases en los Pulmones: Factores que lo Alteran

• La cantidad de oxígeno en los alvéolos depende de la composición del aire inspirado y la ventilación alveolar, influenciada por la frecuencia y profundidad respiratorias, la resistencia de la vía aérea y la distensibilidad pulmonar, así como de una adecuada perfusión alveolar.

Hipoxia: Déficit de Oxígeno en Sangre

• La modificación de los factores anteriores puede llevar a hipoxia, debido a una cantidad inadecuada de O2 en sangre por problemas en la llegada de O2 a los alvéolos, en el intercambio en los alvéolos-capilares o en el transporte de O2.
• Hay varios tipos de hipoxia, cada uno con causas específicas como son la hipoxia hipóxica, hipoxia anémica, hipoxia isquémica e hipoxia histotóxica.

Transporte de Oxígeno en la Sangre

• El oxígeno difunde a través de las células epiteliales del alvéolo y las endoteliales del capilar, entrando en el plasma.
• El O2 se mueve del alvéolo al capilar y el CO2 del plasma al alvéolo.
• La solubilidad del O2 en el plasma es baja (3 mL/L plasma) comparado con el alto consumo de O2 de los tejidos en reposo (250 mL/min).
• Para compensar, se incrementa la capacidad de transporte del O2 mediante pigmentos respiratorios.
• Solo un 2% del O2 se transporta disuelto en el plasma, mientras que el resto (98%) se une a la hemoglobina.
• La sangre, mediante convección, transporta el oxígeno a los tejidos, donde se libera y difunde a las células.
• La hemoglobina puede transportar hasta 20 ml de O2 por cada 100 ml de sangre y el O2 disuelto en plasma es crucial para facilitar el paso del alvéolo a las células.

Pigmentos Respiratorios

• Los pigmentos respiratorios, metaloproteínas coloreadas, varían entre especies, y se combinan con el O2 en sitios específicos, mediante una combinación reversible.
• La unión reversible genera moléculas oxi y desoxi, como en la hemoglobina, que permite el transporte al mantener el hierro en estado ferroso parcialmente oxidado.
• Las moléculas tienen afinidad variable por el O2 y pueden presentar cooperatividad entre sus unidades.
• Los pigmentos pueden estar disueltos o dentro de células, como la hemoglobina en los eritrocitos.

Transporte de Oxígeno Unido a la Hemoglobina

• La hemoglobina tiene un grupo hemo (anillo de porfirina con un ion ferroso en el centro) y 4 proteínas globulares y la forma molecular difiere entre la hemoglobina adulta y la fetal.
• En vertebrados, la hemoglobina, una molécula tetramérica dentro de los eritrocitos, consta de 2 cadenas α y 2 cadenas β, formando un dímero de dímeros.
• La mioglobina, presente en músculos, es una estructura monomérica con una única cadena y la misma función.

Función de la Hemoglobina y Curva de Disociación

• El transporte de oxígeno se basa en un equilibrio donde la asociación o disociación del oxígeno depende de las presiones parciales.
• A mayores presiones parciales de O2, se favorece la asociación y a menores presiones, la disociación.
• En tejidos periféricos, la hemoglobina libera oxígeno debido a la baja PO2, lo que permite oxigenar las células.
• En los alvéolos, la sangre recoge oxígeno gracias a la alta PO2.
• El consumo de O2 de las células se calcula restando la cantidad de O2 en la sangre arterial y venosa.
• La curva de disociación de la hemoglobina, sigmoidea, relaciona el porcentaje de saturación de la hemoglobina con la presión parcial de O2.
• A PO2 elevadas, la curva es plana, lo que significa que grandes cambios de PO2 generan pequeños cambios en la saturación.
• A PO2 bajas, pequeñas diferencias tienen un mayor impacto en la saturación, como en los tejidos, donde una PO2 de 42 mmHg reduce la saturación al 70%.

Factores que Alteran la Curva de Disociación

• La afinidad por el O2, inversamente proporcional a la PO2 necesaria para la saturación, afecta la saturación y cesión de O2, siendo baja a PO2 elevadas y alta a PO2 bajas.
• La P50, presión parcial de oxígeno a la cual la mitad de las hemoglobinas están saturadas, se modifica por factores como el pH y la temperatura.
• Un pH o temperatura altos disminuyen la afinidad del O2, facilitando su liberación en los tejidos, mientras que un pH o temperatura bajos aumentan la afinidad.
• Desde el punto de vista funcional, la hemoglobina debe tener baja afinidad por el O2 en los tejidos periféricos y alta en la superficie respiratoria.
• El efecto Bohr describe cómo los cambios en el pH afectan la afinidad del O2 por la hemoglobina, como en el metabolismo anaeróbico donde la sangre se acidifica.
• El efecto Bohr del CO2 y la temperatura también influyen, disminuyendo la afinidad de la Hb por el O2 a mayor PCO2 o temperatura.
• El 2,3-BPG, un intermediario de la glucólisis, disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno durante la hipoxia prolongada para que se libere más.
• La hemoglobina fetal, con dos cadenas α y dos cadenas ϒ, tiene mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina materna.
• El contenido total de O2 en sangre arterial depende de la cantidad disuelta en plasma y de la unida a la hemoglobina, influenciada por factores como la ventilación alveolar, la difusión y la perfusión.

Transporte de Dióxido de Carbono en la Sangre

• El transporte de gases incluye tanto O2 como CO2 y la eliminación del CO2 es importante para evitar acidosis.
• La sangre venosa que llega al pulmón tiene una PCO2 de 45-46 mmHg.
• El aire alveolar tiene una PCO2 de 40 mmHg, generando un gradiente para la salida del plasma al alvéolo.
• La sangre arterial que sale del pulmón tiene una PCO2 de 40 mmHg, mientras que los tejidos tienen una PCO2 de 45 mmHg, facilitando la salida del CO2 al plasma.

Modos de Transporte del Dióxido de Carbono en la Sangre

• Un 7% del CO2 se disuelve en el plasma y el resto difunde al eritrocito, donde un 23% se une a la hemoglobina formando compuestos carbamino y un 70% se convierte en HCO3− y H+ gracias a la anhidrasa carbónica.
• Para facilitar la salida del CO2 del eritrocito, se utiliza una proteína antiporte que intercambia el ion bicarbonato por un ion cloruro.
• Algunos textos indican que el CO2 se convierte primero en ácido carbónico (H2CO3) y luego se disocia, pero lo más reciente sugiere que se transforma directamente en HСО3− y H+.

Resumen del Proceso de Transporte del CO2

• En las células de los tejidos periféricos, el CO2 pasa a la sangre venosa, disolviéndose una parte y otra entrando al eritrocito.
• En el eritrocito, una parte se une a la Hb y el resto forma ion bicarbonato y protones, tamponados por la Hb.
• El ion bicarbonato sale de la célula a cambio de iones cloruro, estabilizando el pH corporal.

Eliminación del Dióxido de Carbono en los Pulmones

• Al llegar al pulmón, el CO2 disuelto en el plasma pasa a los alvéolos y el bicarbonato plasmático entra al eritrocito a cambio de la salida del ion cloruro.
• Luego, el bicarbonato se disocia en agua y CO2.
• Como se ha dicho, la reacción se mantiene por la eliminación del HCO3- en los alvéolos en forma de CO2 y agua, y por la eliminación del H+.
• El ión bicarbonato mantiene la neutralidad eléctrica en los eritrocitos y la unión del H+ a la Hb evita la acidificación del plasma.
• La unión HbCO2 es relevante ya que favorece la desoxigenación de la hemoglobina en los tejidos.
• El CO2 se une a los grupos amino libres de la Hb o al hierro, formando carbaminohemoglobina, y esta reacción es favorecida por la presencia de CO2 e hidrogeniones.

Regulación de la Ventilación

• La ventilación es automática y rítmica, controlada por el SNC a través del tronco encefálico, que recibe influencias de receptores periféricos y cerebrales.
• La regulación genera y mantiene el ritmo respiratorio, lo modula y recluta los músculos respiratorios.
• Durante la respiración basal, el ritmo respiratorio es de 12-15 respiraciones por minuto y el sistema respiratorio se coordina con el vascular, para que el gasto cardíaco coincida con la ventilación.
• Es fundamental el intercambio de gases en los alvéolos, seguido de la convección en la sangre hacia los tejidos periféricos, donde el O2 se libera y el CO2 retorna a la sangre para ser enviado a los pulmones.
• Los sistemas de control pueden ser voluntarios, mediados por la corteza cerebral, o involuntarios/automáticos, donde las células marcapasos del bulbo raquídeo controlan la respiración y coordinan los músculos respiratorios.
• El sistema involuntario domina sobre el voluntario, permitiendo una respiración continua y normal.

El Bulbo Raquídeo y el Generador Central del Patrón

• El generador central del patrón respiratorio se ubica en el bulbo raquídeo.
• No hay músculos exclusivos de inspiración o espiración, sino centros especializados que regulan la respiración a diferentes niveles.
• El bulbo raquídeo, situado en el tronco encefálico, contiene neuronas que controlan las funciones básicas y puede ser influenciado por señales de centros superiores, como la corteza y el sistema límbico, así como por estímulos químicos (PO2, PCO2, pH).
• Las neuronas moduladoras, ubicadas en el puente o protuberancia, se dedican a la inspiración y espiración e inervan los músculos intercostales externos, el diafragma, los músculos abdominales e intercostales internos.
• Los centros reguladores en el bulbo raquídeo están influenciados por la protuberancia y reciben información de la corteza y de quimiorreceptores.
• En reposo, el complejo pre-Bötzinger en el GRV modula la actividad marcapasos del ritmo respiratorio junto al GRD.
• Las neuronas GRD generan una señal en rampa, despolarizando neuronas vecinas y alcanzando un punto umbral que contrae los músculos inspiratorios.
• Cesa la inspiración, inicia la espiración, impulsada por el GRD
• La inspiración dura 2 segundos y la espiración 3 segundos.

Respiración Forzada

• En una respiración forzada, la actividad del GRD aumenta y se activan músculos accesorios como el esternocleidomastoideo, incrementando el volumen de la caja torácica.
• La espiración activa involucra la activación de neuronas espiratorias del GRV, estimulando los músculos intercostales internos y abdominales, forzando la disminución del tamaño de la caja torácica.
• Existe una inhibición recíproca entre neuronas inspiratorias y espiratorias.

El Reflejo Quimiorreceptor

• A nivel químico, la ventilación depende del CO2, O2 y pH arteriales, siendo más eficiente la detección a nivel arterial y regulada por los quimiorreceptores.
• Los quimiorreceptores regulan la respiración a nivel arterial, modificando el ritmo de ventilación según la información que llega al bulbo raquídeo y manteniendo el PO2 y PCO2 arteriales dentro del rango.
• Los quimiorreceptores pueden ser periféricos (en los cuerpos carotídeos y aórticos, sensibles a cambios en PO2, pH y PCO2 arteriales) o centrales (en la superficie ventral del bulbo raquídeo, sensibles al CO2 indirectamente a través de la reducción del pH).
• La PCO2 es más determinante que el O2 en la regulación respiratoria, con una PCO2 alveolar de 40 mmHg y una PO2 alveolar de 100 mmHg.
• Los quimiorreceptores periféricos envían información al bulbo raquídeo a través del nervio vago y el glosofaríngeo.

Funcionamiento de los Quimiorreceptores

• La frecuencia espiratoria se modula según las necesidades metabólicas, gracias a las células glomo que se activan ante baja PO2 o pH, o alta PCO2.
• El oxígeno no es un factor clave en la modulación de la ventilación y debe tener cambios muy marcados (menos de 60 mmHg) para activar los receptores y solo en casos de asma o grandes alturas, se activarán.
• Al cerrarse los canales de potasio por la señal, las células glomo se despolarizan y abren los canales de calcio y el calcio libera neurotransmisores que activan las neuronas que inervan el bulbo raquídeo.
• Los quimiorreceptores centrales funcionan indirectamente: un aumento de la PCO2 en sangre arterial activa estos receptores, que difunden por la barrera hematoencefálica y generan potenciales de acción en las neuronas del centro respiratorio, aumentando la ventilación.

Respuesta al Aumento de PCO2

• Los receptores se adaptan a la PCO2 elevada, disminuyendo la frecuencia respiratoria y reduciendo la sensibilidad al cambio en la PCO2 después de que los receptores se adapten.
• La barrera hematoencefálica impide el paso de iones y el aumento de H+ proviene de la reacción dentro del cerebro.
• Cuando ocurre, lo principal es controlar la PO2 a nivel de los quimiorreceptores.

Reflejos Protectores y Otros Mecanismos

• Los mecanorreceptores generan el reflejo de Hering-Breuer que ante una distensión excesiva de los pulmones inhibe el GRD.
• Los receptores de irritación activan el reflejo de broncoconstricción por excesiva mucosidad, polvo o gases nocivos y estimulan neuronas del SNP, generando contracción del músculo liso bronquiolar para disminuir la entrada de aire.

Centros Cerebrales Superiores

• El control de la respiración se da a nivel de quimiorreceptores centrales y periféricos, reflejos de protección y control voluntario en la corteza cerebral y emociones por el sistema límbico, coordinando todo con el sistema cardiovascular.