Biología Unidad 4 PDF

## Estructura y mecánica respiratoria **Para los organismos heterótrofos, como el ser humano, la liberación de la energía contenida en los alimentos depende de su oxidación. En la mayoría de los casos, este proceso de oxidación requiere de la presencia de oxígeno (O2). La incorporación de oxígeno...

## Estructura y mecánica respiratoria **Para los organismos heterótrofos, como el ser humano, la liberación de la energía contenida en los alimentos depende de su oxidación. En la mayoría de los casos, este proceso de oxidación requiere de la presencia de oxígeno (O2). La incorporación de oxígeno desde el ambiente hacia el organismo y la eliminación de dióxido de carbono (CO2), producido por la combustión de nutrientes en el interior de las células, se realiza a través de un proceso denominado respiración.** **La respiración ocurre gracias a la acción del sistema respiratorio, que es el encargado de incorporar el oxígeno de la atmósfera y eliminar el dióxido de carbono producido por la actividad celular; y al trabajo complementario del sistema circulatorio, que transporta los gases en la sangre desde los pulmones hacia los tejidos, y viceversa.** **Zona conductora y respiratoria.** **Funcionalmente, el sistema respiratorio se puede dividir en una zona conductora y una zona respiratoria.** **La región conductora comprende todos los órganos del tubo respiratorio que transportan el aire hasta los pulmones, mientras que la zona respiratoria es el lugar donde ocurre el intercambio gaseoso y está formada por los sacos alveolares, ubicados al interior de los pulmones.** **El sistema respiratorio está formado por las vías aéreas, los pulmones y un grupo de músculos que colaboran en el proceso de respiración, que son los músculos intercostales y el diafragma.** ### Las vías aéreas **Las vías aéreas o tracto respiratorio forman un conducto a través del cual el aire es transportado hacia los pulmones. La pared del tracto respiratorio, de manera general, está constituida por cuatro capas de tejido cuyas características varían en sus distintos tramos. Desde la capa que recubre el lumen hacia el exterior estas son: epitelio, submucosa, capa muscular y cartílago.** **Los órganos que conforman las vías aéreas son la cavidad nasal, la faringe, la laringe, la tráquea y los bronquios.** * **Cavidad nasal.** Corresponde a la parte interior de la nariz. Es una zona rica en vasos sanguíneos y cumple las funciones de calentar, humedecer y filtrar el aire inspirado. La cavidad nasal también es responsable del sentido del olfato. * **Faringe.** Se encuentra detrás de la cavidad nasal y de la cavidad oral; se conoce comúnmente como garganta. La faringe es una vía de transporte común para el sistema respiratorio y digestivo. Su función es conducir el aire desde la cavidad nasal hacia la laringe. * **Laringe.** Se encuentra a continuación de la faringe, conectándola con la tráquea. En la laringe se encuentran las cuerdas vocales, cuya vibración produce el sonido de nuestra voz. * **Tráquea.** Es un conducto ubicado delante del esófago y conduce el aire desde la laringe hacia los bronquios. La pared de la tráquea presenta anillos semicirculares cartilaginosos que le otorgan rigidez. * **Bronquios.** Son dos conductos que se forman a partir de la bifurcación de la tráquea. Cada bronquio se dirige hacia un pulmón, donde vuelven a dividirse en conductos más pequeños llamados bronquios secundarios, los cuales ingresan a los pulmones y continúan ramificándose hasta formar los bronquiolos. Los bronquiolos terminan en pequeños sacos membranosos, llamados alvéolos, estructuras especializadas en el intercambio gaseoso. ### Los alvéolos **Son pequeños sacos membranosos que al agruparse forman estructuras denominadas sacos alveolares. Cada alvéolo está formado por una sola capa de células epiteliales y rodeado de una red capilar que proviene de la arteria y que drena hacia la vena pulmonar. La región alveolar es la zona del sistema respiratorio donde ocurre el intercambio gaseoso.** ### Los pulmones **Son dos órganos de forma semicónica, de aspecto esponjoso y color rojizo, que se encuentran ubicados dentro la cavidad torácica, separados uno del otro por el corazón. Cada pulmón se divide en lóbulos, el pulmón derecho tiene tres lóbulos, mientras que el izquierdo presenta solo dos. Rodeando los pulmones se encuentran dos capas membranosas llamadas pleuras.** **Al interior de los pulmones ingresan los bronquiolos y los alvéolos. En conjunto, ambos pulmones contienen aproximadamente 600 millones de alvéolos.** ### Los músculos respiratorios **Los músculos respiratorios son las estructuras que permiten que los pulmones puedan aumentar o disminuir su tamaño durante la respiración. Estos músculos son el diafragma y los músculos intercostales.** **El diafragma es un músculo ubicado en la parte inferior de la cavidad torácica, separándola de la cavidad abdominal. La contracción y relajación del diafragma determinan el diámetro vertical de la caja torácica.** **Los músculos intercostales se ubican, como su nombre lo indica, entre las costillas. Durante la respiración, la contracción de los músculos intercostales permite el desplazamiento de las costillas, lo que incrementa el diámetro antero-posterior de la caja torácica y permite la expansión de los pulmones.** **Al aumentar los diámetros antero-posterior y vertical, aumenta el volumen de la caja torácica.** ### La ventilación pulmonar **La ventilación pulmonar corresponde a la entrada y salida de aire del organismo; se produce por los movimientos respiratorios que ocurren durante la inspiración y la espiración.** **La inspiración es la entrada de aire a los pulmones. Durante la inspiración los músculos respiratorios se contraen: el diafragma se desplaza hacia abajo y los músculos intercostales elevan las costillas. Ambos movimientos aumentan la capacidad de la caja torácica y disminuyen la presión del aire al interior de los pulmones. Como la presión intrapulmonar se vuelve menor que la presión del aire atmosférico, se produce el ingreso de aire a los pulmones.** **La espiración es la expulsión del aire desde los pulmones hacia el ambiente y comienza cuando los músculos intercostales y el diafragma se relajan, regresando a su posición de reposo. Como resultado de la relajación de los músculos respiratorios, las costillas bajan, el diafragma sube y la capacidad de la caja torácica disminuye. Esta disminución de volumen del tórax provoca un aumento de la presión del aire dentro de los pulmones, la cual se hace mayor que la presión atmosférica y, por consiguiente, el aire sale de los pulmones.** **La inspiración es la fase activa de la respiración, debido a que la contracción de los músculos respiratorios es estimulada por la acción del centro nervioso respiratorio, mientras que la espiración corresponde a la fase pasiva de la respiración, debido a que ocurre por la relajación de los músculos respiratorios.** ### Intercambio gaseoso **El aire que circula por las vías aéreas y los pulmones está compuesto principalmente por oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua.** **La composición del aire inspirado, es decir, el aire que llega a los pulmones por las vías respiratorias, es la misma que el aire atmosférico y en este la concentración de oxígeno es mayor que la concentración de dióxido de carbono.** **El aire que es eliminado de los pulmones, es decir, el aire espirado, contiene una concentración de dióxido de carbono que supera la concentración de este gas en el aire inspirado.** | | Oxigeno (O2) | Dióxido de carbono (CO2) | Nitrógeno (N2) | Vapor de agua | |:---------------------|:--------------|:----------------------------|:----------------|:--------------| | Aire inspirado | 21% | 0,03% | 79% | Variable | | Aire espirado | 16% | 4% | 79% | Muy abundante| *Fuente: MINEDUC. Programa de estudio Biologia. Primer año Medio. 1998.* **Contaminación del aire.** En el aire atmosférico también se encuentran algunas sustancias químicas contaminantes, tales como, monóxido de carbono (CO), compuestos azufrados (SO2 y H2S), compuestos nitrogenados (NO, NO2, NH3), hidrocarburos y material particulado (polvo y humo). Los contaminantes atmosféricos penetran por las vías respiratorias causando irritación, que puede ser leve o moderada. Sin embargo, la exposición prolongada causa mayor producción de moco y finalmente incide en diversas enfermedades, tales como, la bronquitis crónica obstructiva, el enfisema pulmonar y el asma. **La hematosis es el proceso de intercambio de oxígeno y de dióxido de carbono que se realiza tanto en la superficie de los alvéolos como a nivel de los tejidos. El intercambio gaseoso entre los alvéolos y la sangre se llama respiración externa o pulmonar, mientras que el intercambio gaseoso entre la sangre y las células de los diferentes tejidos se denomina respiración interna o tisular.** **La respiración externa ocurre gracias a la integración de los sistemas circulatorio y respiratorio en los alvéolos pulmonares. Los alvéolos pulmonares son las unidades funcionales del sistema respiratorio. Cada uno de ellos está formado por una sola capa de células epiteliales, llamadas neumocitos, entre las que se localiza una extensa red de capilares sanguíneos. El intercambio de gases ocurre a través de las paredes capilares y alveolares, las cuales en conjunto forman la membrana respiratoria. El oxígeno y el dióxido de carbono se mueven a través de la membrana respiratoria por difusión simple, debido a la diferencia de concentración entre el aire que se encuentra al interior de los pulmones y la sangre de los capilares que rodean los alvéolos.** **La sangre que llega a los alvéolos, por la arteria pulmonar, viene cargada de CO2, mientras que en el aire que entra a los alvéolos, este gas tiene una concentración menor. Este gradiente de concentración permite que el dióxido de carbono se difunda desde los capilares hacia los alvéolos. El intercambio de oxígeno ocurre de manera similar, pero en sentido contrario; en este caso, la concentración de O2 en el aire que ingresa a los alvéolos es mayor que la concentración sanguínea de oxígeno, y este gas se difunde desde los alvéolos hacia los capilares.** **Después de realizar el intercambio gaseoso, el CO2 se libera a la atmósfera, mientras que la sangre oxigenada retorna al corazón, a través de la vena pulmonar, para luego ser distribuida a todos los tejidos.** ### Transporte de gases en la sangre **El oxígeno y el dióxido de carbono son transportados por el organismo a través de la sangre.** #### Transporte de oxígeno **Una vez en la sangre, el O2 penetra en los eritrocitos y se une de forma reversible a la proteína hemoglobina formando oxihemoglobina. La unión del oxígeno con la hemoglobina es cooperativa, es decir, la asociación de la primera molécula de oxígeno facilita la unión de las moléculas siguientes. Asimismo, la liberación de una molécula de oxígeno favorece la disociación de las demás.** **El porcentaje de saturación de la hemoglobina corresponde a la proporción de hemoglobina que se combina con oxígeno y se representa a través de una curva de saturación. En el plasma sanguíneo, el porcentaje de saturación de la hemoglobina, es decir, el porcentaje de hemoglobina unida a oxígeno, es de un 98%. Al llegar a los tejidos, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuye y las moléculas de oxígeno se liberan para difundirse hacia las células. Mientras menor es la concentración de oxígeno en el tejido, con mayor facilidad se desprenderá este gas del complejo oxihemoglobina.** **La unión de la hemoglobina al oxígeno puede ser modificada por diversos factores. Por ejemplo, un aumento de la acidez y de la temperatura corporal y la mayor concentración de CO2 en la sangre, disminuyen la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. En estas condiciones la curva de saturación de la hemoglobina se desplaza hacia la derecha. Si disminuye la acidez, la temperatura y la concentración de CO2, la curva de saturación de la hemoglobina se desplaza hacia la izquierda.** #### Transporte de dióxido de carbono **El dióxido de carbono producido por la actividad de las células de nuestro cuerpo necesita ser eliminado de los tejidos, debido a que su acumulación es tóxica para el normal funcionamiento celular. De esta manera, el CO2 es transportado por la sangre hacia los pulmones para ser eliminado del organismo.** **El transporte de dióxido de carbono en la sangre se realiza de tres formas distintas, una pequeña parte (7%) se transporta disuelto en el plasma sanguíneo, otra fracción (23%) se une a la hemoglobina formando carbaminohemoglobina; sin embargo, el principal mecanismo de transporte de CO2 en el plasma (70%) es como ion bicarbonato (HCO3).** **Cuando el CO2 ingresa en los glóbulos rojos, la enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción entre el CO2 y el agua, formando ácido carbónico (H2CO3), molécula muy inestable que se disocia en ion bicarbonato (HCO3) y protones (H+), los cuales se difunden hacia el plasma.** **En los capilares pulmonares, ocurren las reacciones inversas, y los iones bicarbonato se transforman nuevamente en ácido carbónico y posteriormente en CO2. De esta forma, las moléculas de CO2 se difunden hacia los alvéolos y son liberadas a la atmósfera durante la espiración.** ### Control de la respiración **Es una red de múltiples grupos neuronales localizados en el tronco encefálico. Integra información respecto a la concentración de oxígeno y dióxido de carbono en el plasma sanguíneo y sobre el nivel de distensión de los pulmones. Determina las señales que controlan los músculos respiratorios.** **La ventilación pulmonar está regulada esencialmente por el centro respiratorio, una red de neuronas cuyo circuito se distribuye en el tronco encefálico. El centro respiratorio es responsable de coordinar la ventilación pulmonar según las necesidades del organismo, tanto en estado de reposo como durante el ejercicio físico.** **Las neuronas que forman el centro respiratorio se agrupan en tres áreas funcionales:** * **Área rítmica bulbar.** Controla el ritmo respiratorio, es decir, la duración de la inspiración y de la espiración. En estado de reposo la inspiración demora alrededor de 2 segundos, y la espiración, aproximadamente 3 segundos. * **Área neumotáxica.** Coordina la transición entre la inspiración y la espiración. Transmite impulsos que impiden que ingrese demasiado aire en los pulmones. * **Área apnéusica.** Al igual que el área neumotáxica, coordina la transición entre la inspiración y la espiración, pero los impulsos que transmite prolongan la inspiración e inhiben la espiración. **El centro respiratorio se comunica con neuronas sensoras y efectoras. Las neuronas sensoras registran e informan sobre la concentración de gases en la sangre y sobre el nivel de tensión de los músculos respiratorios. Las neuronas efectoras realizan las acciones necesarias para conservar la estabilidad de la respiración, modificando la frecuencia y amplitud de los movimientos respiratorios.** **Las neuronas que actúan como sensores de la concentración de dióxido de carbono o de oxígeno en la sangre se llaman quimiorreceptores. Los quimiorreceptores centrales están ubicados en la superficie del bulbo raquídeo, y son sensibles a cambios en el pH en el líquido cefalorraquídeo. Los quimiorreceptores periféricos están ubicados en el cuerpo carotídeo de la arteria carótida y en el cayado de la arteria aorta. Estos quimiorreceptores son sensibles a cambios en el pH y en la concentración de CO2 y de O2 en la sangre.** **Los sensores que responden al estiramiento del pulmón y a la contracción de los músculos respiratorios se denominan mecanorreceptores; estos están ubicados en la capa muscular de las vías respiratorias, en el intersticio pulmonar, en las paredes alveolares, en la pared abdominal, en los músculos intercostales y en el diafragma.** **Durante la inspiración, los pulmones se expanden y los mecanorreceptores, ubicados en su pared, informan sobre este estiramiento al centro respiratorio, el cual inhibe momentáneamente la actividad de las neuronas que estimulan la contracción de los músculos respiratorios. De esta manera, los músculos respiratorios se relajan, los pulmones se retraen y se produce la espiración. Cuando el aire abandona los pulmones los mecanorreceptores dejan de ser estimulados, y por lo tanto, cesa la inhibición de las neuronas del centro respiratorio y se reinicia el ciclo de respiración. Otro factor de control de la ventilación pulmonar es la concentración de CO2 en la sangre. El aumento de la concentración sanguínea de este gas es captado por los quimiorreceptores periféricos, los cuales envían señales al centro respiratorio para que aumente la frecuencia respiratoria, es decir, el número de respiraciones por minuto, y la amplitud de los movimientos respiratorios, hasta que la concentración de CO2 en la sangre disminuya.** ### Adaptación del organismo al esfuerzo **Al realizar actividad física, las células del organismo requieren mayor cantidad de oxígeno. En estas condiciones, tanto el sistema respiratorio como el sistema cardiovascular experimentan cambios que permiten satisfacer la mayor demanda de oxígeno. Es así como aumenta la frecuencia y amplitud respiratoria, es decir, se respira más rápido y más profundo y, por lo tanto, el volumen de oxígeno que ingresa a los pulmones es mayor. De la misma forma, el corazón aumenta el volumen de sangre que bombea en cada contracción; y acelera la frecuencia de sus latidos, por lo que es capaz de transportar hacia las células mayor cantidad de sangre oxigenada. Durante el ejercicio se redistribuye el aporte sanguíneo a los distintos tejidos, es así como en las células musculares aumenta la irrigación sanguínea debido a que los procesos metabólicos en desarrollo consumen más oxígeno en comparación al estado de reposo; por el contrario, los órganos que no participan activamente en la realización de esfuerzo físico, como los riñones o el estómago, reciben un aporte sanguíneo menor. La irrigación sanguínea al cerebro se mantiene constante tanto en reposo como durante el ejercicio intenso.** **La adaptación del organismo al esfuerzo involucra todos los cambios fisiológicos que permiten satisfacer las demandas de oxígeno del organismo durante la realización de actividad física.** **La práctica de algún deporte en forma constante adapta los sistemas respiratorio y cardiovascular al nuevo requerimiento de oxígeno por parte del organismo de la siguiente forma:** * Aumenta la contractibilidad del corazón, manteniendo el gasto cardíaco sin aumentar demasiado la frecuencia; esto quiere decir que el corazón trabaja menos para conseguir que la sangre llegue a todos los tejidos. * Aumenta la cantidad de sangre que expulsa el corazón en cada contracción, así como la magnitud de los movimientos respiratorios. * Mejora la eficiencia del intercambio gaseoso, debido al aumento de la superficie capilar. * Aumenta la capacidad de utilización de oxígeno. **A este conjunto de modificaciones fisiológicas desarrolladas por el entrenamiento físico para mejorar las condiciones de suministro de oxígeno a los diferentes tejidos del organismo, se le denomina acondicionamiento físico.** **El entrenamiento físico mejora el rendimiento del corazón y de los pulmones.** **Aclimatación a la altura.** Los deportistas y turistas que viajan a lugares ubicados a gran altura (2.500 m sobre el nivel del mar), donde la concentración de oxígeno es menor, sufren un proceso de aclimatación, en que el organismo responde a la falta de oxígeno aumentando la cantidad de eritrocitos circulantes o incrementando el ritmo de la ventilación pulmonar. ### Respiración en las plantas **La necesidad de oxígeno para desarrollar los procesos metabólicos de obtención de la energía contenida en los nutrientes, así como también la eliminación del dióxido de carbono producido por la actividad celular, es común para una gran variedad de seres vivos, desde organismos unicelulares hasta organismos pluricelulares. Mientras que los organismos unicelulares realizan el intercambio gaseoso en forma directa con el medio que los rodea, los diversos grupos de animales han desarrollado distintas estructuras para llevar a cabo la respiración.** **En el caso de las plantas, la respiración o intercambio gaseoso con el ambiente ocurre a través de estructuras llamadas estomas.** **Los estomas son espacios intercelulares que se encuentran en la epidermis de las hojas, principalmente por el envés. Los estomas están formados por dos células especializadas llamadas células oclusivas o células guardianas, tienen forma de riñón y dejan una abertura o poro llamado ostíolo por donde se realiza el intercambio de gases. Este poro se cierra automáticamente cuando aumenta la concentración de CO2 intracelular y también en condiciones de sequedad ambiental. Los estomas de la mayoría de las plantas están abiertos durante el día y cerrados durante la noche. El tamaño del poro regula la capacidad de intercambio de gases y de pérdida de agua de la planta.** **Además de la respiración, las plantas llevan a cabo la fotosíntesis, una serie de reacciones químicas a través de las cuales fabrican su alimento. Durante la fotosíntesis la planta capta el dióxido de carbono del ambiente para producir glucosa y oxígeno. El oxígeno resultante de la fotosíntesis es liberado a la atmósfera y posteriormente es utilizado por los animales y por las mismas plantas para llevar a cabo la respiración celular, que produce dióxido de carbono como gas de desecho, el cual es reciclado nuevamente por las plantas. Gracias a esto, las plantas favorecen el equilibrio entre el oxígeno y dióxido de carbono atmosféricos.** **Por lo tanto, la respiración y la fotosíntesis son dos procesos con distintas funciones:** * **Durante la respiración, las plantas absorben oxígeno del aire y liberan dióxido de carbono al ambiente.** * **Durante la fotosíntesis, las plantas absorben dióxido de carbono del aire y liberan oxígeno al exterior. La fase luminosa de este proceso ocurre necesariamente durante el día o en presencia de luz.** ### Medio interno y homeostasis **Las células que conforman un organismo multicelular están rodeadas, y en contacto directo, con un líquido acuoso denominado líquido extracelular (LEC). El LEC constituye el medio interno del organismo y en él se encuentran disueltos los nutrientes, las sales minerales y el oxígeno que las células necesitan para realizar sus funciones vitales y, además, recibe los productos de desecho generados por el metabolismo cellular. Los líquidos que constituyen el LEC son el líquido intercelular o intersticial, que se encuentra entre las células, el plasma, que forma parte de la sangre y la linfa, líquido similar al plasma, pero que circula por los vasos linfáticos.** **Entre los fluidos que forman el LEC, la concentración de los distintos iones es similar. Sin embargo, el plasma contiene una concentración de proteínas mayor que el líquido intersticial, debido a que las proteínas plasmáticas, por su gran tamaño, no pueden atravesar las paredes de los vasos sanguíneos hacia el líquido intersticial, quedando retenidas en el plasma sanguíneo.** **El líquido que se encuentra formando parte de las células se denomina líquido intracelular (LIC).** **La homeostasis es la propiedad de los seres vivos de regular y mantener en equilibrio su medio interno. En los seres humanos, esta regulación implica conservar -dentro de valores fisiológicos normales- parámetros tales como el pH sanguíneo, la temperatura corporal, el nivel de glucosa y de otras sustancias en la sangre, el volumen de agua circulante, la presión sanguínea, y la cantidad de sustancias de desecho que deben ser eliminadas. Para lograr todo esto, nuestro organismo ha desarrollado una serie de mecanismos reguladores que integran las funciones del sistema endocrino, el sistema nervioso y el sistema excretor. De esta forma, la homeostasis asegura que las células que conforman nuestro organismo puedan vivir y realizar sus funciones vitales.** **Uno de los requisitos fundamentales para mantener el equilibrio del medio interno es la existencia de la homeostasis hidrosalina, lo cual implica un balance entre la cantidad de agua y sales minerales ingerida y eliminada, así como también, una distribución adecuada de los líquidos corporales. El agua y los iones que el organismo necesita ingresan principalmente a través de los alimentos ingeridos en la dieta, aunque también existe un aporte de agua proveniente de las reacciones de oxidación de nutrientes que ocurren a nivel celular. La eliminación de estas sustancias es realizada por los órganos del sistema excretor, principalmente los riñones.** | **Ingreso de agua** | **Pérdida de agua** | |:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|:-----------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 1. Bebida (1.200 mL) | 1. Excreción por la orina (1.500 mL) | | 2. Comida (1.000 mL) | 2. Evaporación por piel y pulmones (900 mL) | | 3. Oxidación de las moléculas nutrientes (350 mL) | 3. Eliminación por heces (100 mL) | | **Total: 2.550 mL** | 4. Secreción de sudor (50 mL) | | | **Total: 2.550 mL** | **Balance hídrico en el organismo.**