Fisiológia Médica de Boron. PDF

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CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 595 las mitocondrias) sangre con una Po2 alta y una Pco2 baja reci- no ser suficientemente grande como para mantener velocidades bida a través de las venas pulmonares. El mantenimiento de los adecuadas de intercambio gaseoso. gradientes máximos para la difusión de O2 y CO2 en los capilares pulmonares y sistémicos precisa que la sangre de los ventrículos Los pigmentos respiratorios como la hemoglobina derecho e izquierdo no se mezcle. Sin embargo, este tipo de mezcla incrementan la capacidad de la sangre de transportar es precisamente lo que ocurre en los peces y los anfibios, cuyos O2 y CO2 corazones tienen un ventrículo único. En estos animales, la sangre aórtica tiene valores de Po2 y Pco2 intermedios entre los valores de En los mamíferos, el sistema convectivo externo (es decir, el apara­ la sangre venosa que vuelve de la circulación sistémica y la sangre to ventilatorio), el sistema convectivo interno (es decir, el aparato que sale de la barrera de intercambio gaseoso. El resultado son circulatorio) y la propia barrera (es decir, la pared alveolar) son unos gradientes de Po2 y Pco2 subóptimos tanto en la barrera de tan eficientes que la difusión de O2 y CO2 no es lo que limita el intercambio gaseoso como en las mitocondrias. intercambio gaseoso, al menos no en personas sanas a nivel del mar. En los seres humanos, el sistema convectivo interno puede fallar Imagine qué ocurriría si la sangre venosa mixta que fluye por un cuando las válvulas cardíacas enfermas reducen el gasto cardíaco. capilar pulmonar contuviera únicamente agua y sales. La difusión Otro ejemplo es el cortocircuito de sangre entre las circulaciones de O2 desde el espacio del aire alveolar hacia la «sangre» sería tan pulmonar y sistémica, como puede ocurrir en recién nacidos con rápida —y la solubilidad del O2 en la solución salina sería tan baja— malformaciones congénitas (p. ej., comunicaciones interauriculares (v. cuadro 26-2) que, antes de que la sangre pudiera recorrer ∼1% del o interventriculares). La consecuencia es el mismo tipo de mezcla trayecto por el capilar, la Po2 de la sangre sería igual a la Po2 del aire de sangre venosa sistémica y sangre de la barrera de intercambio alveolar (es decir, todo el O2 que se pudiera mover se habría movido). gaseoso que se produce en los anfibios y los peces. Así, los pacientes En el ∼99% restante del capilar, el gradiente de Po2 a través de la barre- con cortocircuitos no pueden establecer gradientes de Po2 y Po2 ra sería nulo, y ya no fluiría más O2 hacia la sangre. En consecuencia, normales en los capilares pulmonares y periféricos y, debido a ello, con un gasto cardíaco normal, la sangre nunca transportaría suficiente no pueden generar caudales normales de O2 y CO2. O2 desde los pulmones hasta los tejidos para mantener la vida. Esto mismo sucedería, pero a la inversa, para la eliminación del CO2. El aumento del área de superficie incrementa la difusión Los animales resuelven este problema con pigmentos respirato- rios, metaloproteínas especializadas que, gracias al metal, se unen El caudal pasivo de O2 o CO2 a través de una barrera es proporcio- reversiblemente al O2, lo que aumenta mucho la capacidad de trans- nal no solo al gradiente de concentración, sino también al área de porte de O2. En algunos artrópodos y moluscos, el pigmento es la barrera: N26-9 hemocianina, que coordina dos átomos de cobre. Los helmintos poliquetos y los braquiópodos utilizan hemeritrinas, que coordinan Caudal ∝ ∆P × Área (26-2) dos átomos de hierro. Sin embargo, los pigmentos respiratorios más frecuentes (y más eficientes) son las hemoglobinas, que coordinan De hecho, los animales superiores han aumentado su capacidad un anillo porfirínico que contiene hierro. Todos los vertebrados, de intercambiar O2 y CO2 con su entorno aumentando el área de además de numerosos grupos de animales no relacionados, utilizan superficie a través de la cual tiene lugar el intercambio gaseoso. Por hemoglobina, que es el componente principal de los eritrocitos. ejemplo, los moluscos (como los calamares) y los peces tienen aga- La presencia de hemoglobina mejora mucho la dinámica de llas, que se forman por evaginación de la barrera de intercambio la captación de O2 por la sangre que pasa por los pulmones. En gaseoso, lo que aumenta mucho su área de superficie. Los animales condiciones normales, la hemoglobina se una reversiblemente a terrestres superiores amplifican la barrera de intercambio gaseoso ∼96% del O2 que difunde desde los espacios aéreos alveolares hasta invaginándola, creando pulmones. En un anfibio como la rana adulta, la sangre capilar, lo que aumenta mucho la capacidad de transporte los pulmones son sencillos sacos aéreos con un área de superficie de O2 de la sangre. La hemoglobina tiene una participación fun- relativamente pequeña. No es sorprendente que una gran proporción damental en el transporte o desplazamiento de CO2 por su unión del intercambio gaseoso deba realizarse a través de la piel. La barrera reversible al CO2, además de actuar como un potente amortiguador de intercambio gaseoso es mucho más sofisticada en los reptiles, cuyos de pH. En la anemia, el contenido de hemoglobina de la sangre está pulmones están tapizados con alvéolos o incluso están subdivididos reducido, lo que reduce la capacidad de transporte de O2 y CO2 de por barreras tapizadas por alvéolos. El efecto neto es aumentar el la sangre. Una persona con anemia puede compensar esta situación cociente superficie/volumen de los pulmones. Los mamíferos aumen- únicamente si los tejidos sistémicos extraen más O2 de cada litro tan aún más el área disponible para la difusión, desarrollando pul- de sangre, o si aumenta el gasto cardíaco. Sin embargo, hay límites mones muy complejos con bronquios y un gran número de alvéolos. a la cantidad de O2 que pueden extraer los tejidos y al nivel al que © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. En los seres humanos, la superficie pulmonar es tan extensa y el corazón puede aumentar su gasto. delgada que el transporte de O2 y CO2 a través de la pared alveolar es ∼3 veces más rápido de lo necesario, al menos cuando la persona La fisiopatología recapitula la filogenia… a la inversa está en reposo al nivel del mar. No obstante, esta redundancia tiene suma importancia durante el ejercicio (cuando puede aumen- Por los ejemplos fisiopatológicos que ya se han presentado debe tar mucho el gasto cardíaco), cuando se vive a grandes alturas quedar claro que, cuando falla un componente fundamental del (situación en la que la Po2 es baja) y en los ancianos (cuando el aparato respiratorio de un organismo superior, la respiración exter- funcionamiento pulmonar disminuye). Una disminución impor- na se vuelve más parecida a la de un organismo inferior en la escala tante del área de superficie, o un engrosamiento de la barrera, evolutiva. Por ejemplo, el fallo de la bomba de aire de un mamífero puede ser perjudicial. Ejemplos son la exéresis quirúrgica de un hace que este individuo se comporte más como un organismo pulmón (que reduce la superficie total para el intercambio gaseoso acuático unicelular sin cilios. Una reducción del área de superficie en aproximadamente la mitad) y el edema pulmonar (que aumenta de los alvéolos en un mamífero crea los mismos problemas a los el grosor efectivo de la barrera). Así, si una persona con una barrera que se enfrenta un anfibio con pulmones sacciformes sencillos. engrosada pierde un pulmón, el área de superficie restante puede Un cortocircuito importante en el aparato circulatorio hace que 596 SECCIÓN V Sistema respiratorio un animal se comporte más como un pez. En la anemia grave, el asociados, y los músculos de la respiración. Estos componentes mamífero se enfrenta a los mismos problemas que una forma de hacen que entre y salga aire de los espacios aéreos alveolares, la vida inferior con un pigmento respiratorio menos eficiente. denominada ventilación alveolar. La inspiración se produce cuando las contracciones musculares aumentan el volumen de la cavidad torácica, lo que reduce la presión intratorácica; esto ORGANIZACIÓN DEL APARATO RESPIRATORIO hace que los alvéolos se expandan de forma pasiva, lo que a su EN EL SER HUMANO vez reduce la presión alveolar. Entonces el aire fluye desde la atmósfera hasta los alvéolos, siguiendo un gradiente de presión. El ser humano optimiza todos los aspectos La relajación de los músculos produce una espiración tranquila. de la respiración externa: ventilación, circulación, La mecánica de la ventilación se analiza en el capítulo 27. amplificación del área, transporte de gases, 2. Mecanismos para el transporte de O2 y CO2 en la sangre. control local y control central Los eritrocitos están altamente especializados en el transporte de O2 desde los pulmones hasta los tejidos periféricos y en el El aparato respiratorio humano (fig. 26-4) tiene dos características transporte de CO2 en el sentido opuesto. Tienen concentracio- importantes. Primero, utiliza sistemas convectivos muy eficientes nes muy elevadas de hemoglobina y otros componentes que (los aparatos respiratorio y circulatorio) para el transporte a larga ayudan a cargar y descargar rápidamente grandes cantidades distancia de O2 y CO2. Segundo, reserva la difusión exclusivamente de O2 y CO2. En los capilares pulmonares, la hemoglobina se para movimientos de O2 y CO2 a distancias cortas. Los principales une al O2, lo que permite que la sangre transporte ∼65 veces componentes de este aparato respiratorio son los siguientes: más O2 que una solución salina. En los capilares sistémicos, la 1. Una bomba de aire. El sistema convectivo externo está formado hemoglobina tiene una función fundamental en el transporte de por las vías respiratorias superiores y las grandes vías respiratorias CO2 (producido por las mitocondrias) hasta los pulmones. La pulmonares, la cavidad torácica y los elementos esqueléticos hemoglobina consigue esta tarea reaccionando químicamente con parte del CO2 y amortiguando el H+ que se forma a medida que la anhidrasa carbónica convierte el CO2 en HCO3− y H+. Así, la hemoglobina tiene una participación fundamental en la química del equilibrio ácido-base, como se analiza en el capí- tulo 28, además de participar en el transporte de O2 y CO2, que se aborda en el capítulo 29. 3. Una superficie para el intercambio gaseoso. La barrera de inter- cambio gaseoso en los seres humanos está formada por los alvéo- los, que aportan un área de superficie inmensa pero muy delgada para la difusión pasiva de gases entre los espacios aéreos alveolares y los capilares pulmonares. Más adelante en este capítulo se analiza la anatomía de los alvéolos, y el intercambio gaseoso se trata en el capítulo 30. Se produce un proceso similar de intercambio de gases entre los capilares sistémicos y las mitocondrias. 4. Un aparato circulatorio. El sistema convectivo interno en los seres humanos está formado por un corazón con cuatro cavidades y dos circulaciones, sistémica y pulmonar, separadas. En el capítulo 31 se analiza el caudal de sangre hacia los pulmones, la perfusión. 5. Un mecanismo para regular localmente la distribución de la ventilación y la perfusión. Un intercambio gaseoso efi- ciente precisa que, en la medida de lo posible, la relación de ventilación-perfusión sea uniforme en todos los alvéolos. Sin embargo, ni la llegada de aire fresco a toda la población de alvéolos ni la llegada de sangre venosa mixta a toda la población de capilares pulmonares es uniforme en los pulmones. Los pulmones intentan maximizar la uniformidad de las relaciones ventilación-perfusión utilizando sofisticados mecanismos de control mediante retroalimentación para regular el caudal aéreo y el caudal sanguíneo locales, como se analiza en el capítulo 31. 6. Un mecanismo para regular centralmente la ventilación. Al contrario que la ritmicidad del corazón, que es intrínseca a ese órgano, la del aparato respiratorio no es intrínseca a los pulmones ni a la pared torácica. Por el contrario, los centros de control respiratorio del sistema nervioso central estimulan rítmicamente los músculos de la inspiración. Además, estos centros respiratorios modifican adecuadamente el patrón de la ventilación durante el ejercicio y otros cambios en la actividad física o mental. Sensores de la Po2, la Pco2 y el pH arteriales forman parte de los mecanismos de retroalimentación que estabilizan estos tres parámetros de los «gases sanguíneos». Estos Figura 26-4 El aparato respiratorio del ser humano. temas se abordan en el capítulo 32.  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 597 TABLA 26-2 Convención de símbolos en fisiología respiratoria primera generación son los bronquios principales derecho e izquierdo, y así sucesivamente. Como el bronquio principal derecho tiene mayor MECÁNICA RESPIRATORIA INTERCAMBIO GASEOSO diámetro que el izquierdo y es más paralelo a la tráquea, los cuerpos Símbolos principales extraños inhalados se alojan con más frecuencia en el pulmón derecho C Distensibilidad C Concentración (o contenido) que en el izquierdo. Los seres humanos tienen ∼23 generaciones de (compliancia) en un líquido vías respiratorias. A medida que aumenta el número de generación D Capacidad de difusión (es decir, a medida que las vías respiratorias se hacen más estrechas), f Frecuencia respiratoria f Frecuencia respiratoria disminuye gradualmente la cantidad de cilios, el número de células F Fracción secretoras de moco, la presencia de glándulas submucosas y la canti- P Presión P Presión dad de cartílago en sus paredes. El moco es importante para atrapar  Q Flujo sanguíneo (perfusión) partículas extrañas pequeñas. Los cilios hacen un barrido del tapiz de moco (que se mantiene húmedo por las secreciones de las glán- R Resistencia R Cociente de intercambio gaseoso dulas submucosas) en sentido ascendente hacia la faringe, donde la deglución elimina por último el moco. El cartílago es importante para S Saturación de hemoglobina prevenir el colapso de las vías respiratorias, que es especialmente pro- V Volumen de gas V Volumen de gas blemático en espiración (v. cap. 27). Las vías respiratorias mantienen V Caudal de gas V Ventilación algo de cartílago hasta aproximadamente la 10.ª generación, momento Modificadores (subíndices) hasta el cual se denominan bronquios. a Arterial sistémico Comenzando en la 11.ª generación, las vías respiratorias, que aho- A Alveolar A Alveolar ra ya no tienen cartílago, se denominan bronquiolos. Como carecen vr Vías respiratorias de cartílago, la luz de los bronquiolos se puede mantener permeable B Barométrico B Barométrico solo porque la presión que los rodea puede ser más negativa que la c Capilar pulmonar presión en el interior y por la tracción hacia fuera (tracción o anclaje radial) que ejercen los tejidos circundantes. Por ello, los bronquiolos E Espirado son especialmente susceptibles al colapso durante la espiración. I Inspirado Hasta aproximadamente la generación 16 no hay alvéolos, y el aire v Venoso sistémico (en no puede intercambiar los gases con la sangre pulmonar-capilar. Las cualquier lecho vascular) vías respiratorias desde la nariz y los labios hasta los bronquiolos sin Venoso sistémico mixto V alvéolos son las vías respiratorias de conducción, que únicamente De Macklem PT: Symbols and abbreviations. En Fishman AP, Fisher AB (eds.): sirven para que el aire se desplace por convección (es decir, como el Handbook of Physiology, Section 3: The Respiratory System, vol 1, Circulation and agua que se mueve por una pajita de refresco) hasta las regiones del Nonrespiratory Functions. Bethesda, MD, American Physiological Society, 1985. pulmón que participan en el intercambio gaseoso. Las vías respira- torias de conducción más distales son los bronquiolos terminales (generación ∼16). El volumen combinado de las vías respiratorias Los fisiólogos respiratorios han acordado un conjunto de sím- de conducción, el espacio muerto anatómico, es de ∼150 ml en bolos para describir los parámetros que son importantes en la fisio- varones jóvenes y sanos y de >100 ml en las mujeres. El espacio logía pulmonar y las pruebas de función respiratoria (tabla 26-2). muerto anatómico es tan solo una pequeña fracción de la capacidad pulmonar total, que de media es de 5-6 l en adultos, dependiendo de la complexión y la salud del individuo. Las vías respiratorias de conducción transportan aire fresco hasta los espacios alveolares Los espacios aéreos alveolares son el lugar El desarrollo del pulmón se analiza en las páginas 1155-1156. En el en el que se produce el intercambio gaseoso embrión, cada uno de los pulmones se invagina en el interior de un saco pleural separado, que se refleja sobre la superficie del pulmón. Los alvéolos surgen por primera vez de los bronquiolos en la gene- La pleura parietal, la pared del saco que está más alejada del ración ∼17. Estos bronquiolos respiratorios participan en el inter- pulmón, contiene vasos sanguíneos que se piensa que producen un cambio gaseoso en al menos parte de su superficie. Los bronquiolos ultrafiltrado del plasma denominado líquido pleural. El espacio respiratorios se extienden desde la generación ∼17 hasta la ∼19, y virtual entre la pleura parietal y la pleura visceral normalmente está la densidad de alvéolos aumenta gradualmente al hacerlo el número ocupado por ∼10 ml de este líquido. La pleura visceral está directa- de generación (v. fig. 26-5). Finalmente, los alvéolos tapizan por © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. mente sobre el pulmón y contiene linfáticos que drenan el líquido del completo las vías respiratorias. Estos conductos alveolares (genera- espacio pleural. Cuando la producción de líquido pleural supera a su ciones 20 a 22) finalmente acaban en extremos ciegos denominados extracción, aumenta el volumen de líquido pleural (derrame pleural), sacos alveolares (generación 23). El conjunto de todas las vías res- lo que limita la expansión del pulmón. En circunstancias normales, el piratorias que se originan en un único bronquiolo terminal (es decir, líquido pleural probablemente lubrique el espacio pleural, facilitando los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los sacos los cambios fisiológicos del tamaño y la forma del pulmón. alveolares), junto con sus vasos sanguíneos y linfáticos asociados, Los propios pulmones están divididos en lóbulos, tres en el pul- forma una unidad respiratoria terminal o lobulillo primario. món derecho (lóbulos superior, medio e inferior) y dos en el izquier- El área transversal de la tráquea es de ∼2,5 cm2. Al contrario do (lóbulos superior e inferior). El pulmón derecho, en el que la de la situación en las arterias sistémicas (v. pág. 447), en las que presencia del corazón reduce menos el volumen que en el izquierdo, el área de sección transversal total de las ramas siempre es mayor supone ∼55% de la masa y la función pulmonar total. que el área de sección transversal del vaso en el que se originan, el Nos referimos a las vías respiratorias pulmonares que se bifurcan área de sección transversal total disminuye desde la tráquea hasta de manera progresiva por su número de generación (fig. 26-5): las primeras cuatro generaciones de vías respiratorias (fig. 26-6). la generación de orden cero es la tráquea, las vías respiratorias de la Como todo el aire que pasa por la tráquea también pasa por los 598 SECCIÓN V Sistema respiratorio Figura 26-5 Generaciones de vías respiratorias. Figura 26-6 Dependencia que tienen el área de sección transversal total y la velocidad lineal respecto del número de generación. En la generación 3, el área de sección transversal total tiene un mínimo (no visible), mientras que la velocidad alcanza su máximo. (Datos de Bouhuys A: The Physiology of Breathing. New York, Grune & Stratton, 1977.)  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 599 dos bronquios principales, y así sucesivamente, el producto del área de sección transversal total y la velocidad lineal es el mismo para cada generación de las vías respiratorias de conducción. Así, la velocidad lineal del aire en las primeras cuatro generaciones es mayor que en la tráquea, lo que puede ser importante durante la tos (v. pág. 719). En generaciones sucesivas aumenta el área de sección transversal total, al principio lentamente y después de manera muy rápida. En consecuencia, la velocidad lineal disminuye hasta valores muy bajos. Por ejemplo, los bronquiolos terminales (generación 16) tienen un área de sección transversal total de ∼180 cm2, por lo que la velocidad lineal media del aire es de tan solo (2,5 cm2)/ (180 cm2) = 1,4% del valor en la tráquea. A medida que el aire avanza hacia los bronquiolos respiratorios, y más allá, hacia las unidades respiratorias terminales, en las que la velocidad lineal es minúscula, la convección adquiere una impor- tancia cada vez menor para el movimiento de las moléculas de gas, y domina la difusión. Debe tenerse en cuenta que el movimiento a largas distancias de los gases desde la nariz y los labios hasta el extremo de las vías respiratorias de la generación 16 se produce por convección. Sin embargo, el movimiento a corta distancia desde las vías respiratorias de la generación 17 hasta los rincones más alejados de los conductos alveolares se produce por difusión, igual que el movimiento de gases a través de la barrera de intercambio gaseoso (∼0,6 µm). El alvéolo es la unidad fundamental de intercambio gaseoso. Los alvéolos son estructuras hemisféricas con diámetros que varían de 75 a 300 µm. Los aproximadamente 300 millones de alvéolos tienen un área de superficie combinada de 50 a 100 m2 y un volumen combinado máximo de 5 a 6 l en los dos pulmones. Tanto el diáme- tro como el área de superficie dependen del grado de insuflación de los pulmones. Los pulmones tienen un volumen total relativamente pequeño (es decir, ∼5,5 l), muy poco de lo cual corresponde a las vías respiratorias de conducción (es decir, ∼0,15 l). Sin embargo, el área alveolar es muy amplia. Por ejemplo, una esfera con un volumen de 5,5 l tendría un área de superficie de tan solo 0,16 m2, que es mucho menos del 1% del área de la superficie alveolar. El revestimiento de los alvéolos está formado por dos tipos de células epiteliales, neumocitos alveolares de tipo I y de tipo II. Los neumocitos de tipo II, cuboideos, aparecen en agregados y son Figura 26-7 Vascularización de las vías respiratorias. responsables de sintetizar el surfactante o tensioactivo pulmonar, que facilita mucho la expansión de los pulmones (v. págs. 613-614). Las células de tipo I son mucho más delgadas que las células de se bifurcan a medida que acompañan al árbol bronquial, y sus tipo II. Así, aunque los dos tipos celulares estén presentes en núme- divisiones en último término forman una matriz hexagonal, densa ros iguales, las células de tipo I cubren el 90-95% de la superficie y con muchas anastomosis de segmentos capilares que vascularizan alveolar y representan el camino más corto para la difusión de los alvéolos de las unidades respiratorias terminales. Los capilares gases. Después de una lesión, las células de tipo I se desprenden y pulmonares tienen un diámetro interno medio de ∼8 µm, y cada degeneran, mientras que las células de tipo II proliferan y tapizan segmento de la red capilar mide ∼10 µm de longitud. El eritrocito el espacio alveolar, restableciendo una capa epitelial continua. Por medio pasa ∼0,75 segundos en los capilares pulmonares, tiempo tanto, las células de tipo II parecen servir como células reparadoras. durante el cual atraviesa hasta tres alvéolos. Después del intercam- © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Los capilares pulmonares habitualmente están insertados entre bio gaseoso en los alvéolos, la sangre finalmente es recogida por dos espacios aéreos alveolares contiguos. De hecho, la sangre forma las venas pulmonares. una lámina casi ininterrumpida que fluye como una cinta retorci- Las arterias bronquiales son ramas de la aorta y, por tan- da entre los alvéolos que están en contacto con ella. En las células to, transportan sangre recién oxigenada. Vascularizan las vías de tipo I, la pared alveolar (es decir, neumocito más célula endo- respiratorias de conducción. Al nivel de los bronquiolos res- telial) habitualmente mide de 0,15 a 0,30 µm de grosor. Hay peque- piratorios, los capilares derivados de las arterias bronquiales se ños orificios (poros de Kohn) N26-10 que perforan el tabique anastomosan con los que proceden de las arterias pulmonares. que separa alvéolos contiguos. La función de estos poros, que están Como los capilares de la circulación bronquial drenan parcial- rodeados por capilares, se desconoce. mente en las venas pulmonares, hay cierta mezcla venosa entre El pulmón recibe su vascularización de dos orígenes: las arte- la sangre parcialmente desoxigenada procedente de la circulación rias pulmonares y las arterias bronquiales (fig. 26-7). Las arterias bronquial y la sangre recién oxigenada (v. pág. 891). Esta mezcla pulmonares, que son con diferencia la principal vascularización representa parte de un pequeño cortocircuito fisiológico. Una de los pulmones, transportan sangre venosa mixta, relativamente pequeña cantidad de la sangre bronquial drena en las venas ácigos desoxigenada. Después de originarse en el ventrículo derecho, y hemiácigos accesoria. 600 SECCIÓN V Sistema respiratorio Los pulmones tienen importantes funciones los macrófagos intersticiales pueden fagocitar estas partículas, las no respiratorias, entre ellas filtrar la sangre, enzimas pueden degradarlas y los vasos linfáticos pueden trans- servir como depósito para el ventrículo izquierdo portarlas hacia otros lugares. Además, las partículas suspendidas y realizar varias conversiones bioquímicas en el líquido que recubre la superficie alveolar pueden fluir con este líquido hasta los bronquiolos terminales, donde se unen a la capa Aunque su función principal es intercambiar O2 y CO2 entre la de moco, que es propulsada por los cilios hasta vías respiratorias atmósfera y la sangre, los pulmones también tienen funciones de un calibre cada vez mayor. Ahí se unen a las partículas de mayor importantes que no están relacionadas directamente con la res- tamaño (que han entrado en el moco mediante impactación o piración externa. sedimentación) en su trayecto hacia la bucofaringe. La tos y el estor- nudo (v. cuadro 32-4), reflejos desencadenados por la irritación Olfacción La ventilación es esencial para la llegada de sustan- de las vías respiratorias, aceleran el movimiento de las partículas cias odoríferas al epitelio olfativo (v. págs. 354-356). La conducta de has­ta las vías respiratorias de conducción. husmeo, especialmente importante para algunos animales, permite obtener una muestra de los productos químicos que hay en el aire Depósito ventricular izquierdo Los vasos pulmonares, muy dis- sin el riesgo de llevar sustancias potencialmente perjudiciales a tensibles, de un ser humano prototípico de 70 kg de peso contienen zonas profundas de los pulmones. ∼440 ml de sangre (v. tabla 19-2), que es un importante amortiguador para el llenado del ventrículo izquierdo. Por ejemplo, si se pinza la Procesamiento del aire inhalado antes de que llegue a los arteria pulmonar de un animal de experimentación de modo que alvéolos En sentido estricto, el proceso de calentamiento, humi- no pueda entrar sangre en los pulmones, el lado izquierdo del corazón dificación y filtrado del aire inhalado en las vías respiratorias de puede aspirar suficiente sangre desde la circulación pulmonar para conducción es una función respiratoria. Forma parte del coste mantener el gasto cardíaco durante aproximadamente dos latidos. de hacer el trabajo de la respiración. El calentamiento del aire inhalado frío es importante para que el intercambio gaseoso en Eliminación de émbolos pequeños de la sangre mediante los alvéolos se produzca a la temperatura corporal. Si los alvéolos filtrado La sangre venosa mixta contiene émbolos microscópicos, y la sangre que los acompaña estuvieran mucho más fríos que la partículas pequeñas (p. ej., coágulos sanguíneos, grasa, burbujas temperatura corporal, la solubilidad de estos gases alveolares en la de aire) que pueden ocluir vasos sanguíneos. Si estos émbolos sangre pulmonar-capilar fría sería relativamente elevada. A medida consiguen llegar a la circulación sistémica y se alojan en los peque- que la sangre se calentara posteriormente, la solubilidad de estos ños vasos que nutren los tejidos que no tienen circulación colate- gases disminuiría, lo que llevaría a la formación de burbujas de aire ral, las consecuencias (con el tiempo) podrían ser catastróficas. (es decir, émbolos) que se alojarían en vasos sistémicos pequeños y Afortunadamente, la vasculatura pulmonar puede atrapar estos producirían infartos. La humidificación es importante para evitar émbolos antes de que puedan llegar al lado izquierdo del corazón. que los alvéolos se sequen. Finalmente, el filtrado de partículas Si los émbolos son suficientemente pocos y pequeños, los alvéolos grandes es importante para evitar que las vías respiratorias peque- afectados pueden recuperar su función. Debe tenerse en cuenta que ñas se obstruyan con residuos que también pueden ser tóxicos. las células alveolares no necesitan la circulación para obtener O2 ni El calentamiento, la humidificación y el filtrado son más eficien- para eliminar el CO2. Además, después de una embolia pulmonar tes con la respiración nasal que con la respiración bucal. La nariz, pequeña, las células alveolares pueden obtener sus nutrientes desde incluyendo los cornetes nasales, tiene un área de superficie muy anastomosis con la circulación bronquial. Sin embargo, si los émbo- grande y una rica vascularización sanguínea. Las vibrisas nasales los pulmonares son suficientemente grandes o frecuentes, pueden tienden a filtrar y retener partículas grandes (mayores de ∼15 µm producir síntomas graves o incluso la muerte. Una contrapartida de de diámetro). La turbulencia que generan estas vibrisas, además de la función de filtración pulmonar es que los émbolos formados por la topografía con una superficie muy irregular de las vías respirato- células cancerosas pueden encontrar un caldo de cultivo perfecto rias nasales, aumenta la probabilidad de que las partículas mayores que favorece el crecimiento de la enfermedad metastásica. de ∼10 µm de diámetro impacten y se queden incluidas en el moco que recubre la mucosa nasal. Además, el aire inspirado a través de la Reacciones bioquímicas Todo el gasto cardíaco pasa por los nariz hace un giro en ángulo recto cuando se dirige hacia la tráquea. pulmones, lo que expone a la sangre a la enorme área de superficie La inercia de las partículas de mayor tamaño hace que golpeen la del endotelio capilar pulmonar. Aparentemente son estas células las pared posterior de la nasofaringe, que casualmen­te está dotada con responsables de ejecutar las reacciones bioquímicas que eliminan grandes cantidades de tejido linfático que puede poner en marcha selectivamente muchas sustancias de la circulación, a la vez que una respuesta inmunitaria frente a los microorganismos inhalados. otras no se ven afectadas (tabla 26-3). Así, el pulmón puede ser Casi todas las partículas de mayor tamaño que consiguen escapar a la filtración en las vías respiratorias superiores impactarán en el moco de la tráquea y los bronquios. TABLA 26-3 Manejo de sustancias por la circulación pulmonar Las partículas de menor tamaño (de 2 a 10 µm de diámetro) también pueden impactar en una capa mucosa. Además, la grave- ELIMINADAS dad puede hacer que se sedimenten desde el aire que se mueve len- NO AFECTADAS EN SU MAYOR PARTE tamente en las vías respiratorias pequeñas y que queden incluidas PGA1, PGA2, PGI2 PGE1, PGE2, PGF2α, en el moco. Las partículas con dimensiones menores de ∼0,5 µm leucotrienos tienden a llegar a los alvéolos suspendidas en el aire en forma de Histamina, epinefrina, dopamina Serotonina, bradicinina aerosoles. Las vías respiratorias no atrapan la mayor parte (∼80%) de estos aerosoles, sino que los expulsan con el aire espirado. Angiotensina II, arginina Angiotensina I (se convierte El pulmón tiene diversas estrategias para manejar las partículas vasopresina, gastrina, oxitocina en angiotensina II) que quedan en la superficie de los alvéolos o que penetran en el PG, prostaglandina. espacio intersticial. Los macrófagos alveolares (de la superficie) y De Levitzky MG: Pulmonary Physiology, 4th ed. New York, McGraw-Hill, 1999.  CAPÍTULO 26 Organización del aparato respiratorio 601 fundamental para determinar qué moléculas de transducción de que es mucho más fácil de conceptualizar. Este sencillo espirómetro señales de la sangre venosa mixta llegan a la sangre arterial sistémi- tiene una campana invertida móvil que está parcialmente sumergida ca. El endotelio pulmonar también tiene una función importante en en agua. Un tubo para el aire se extiende desde la boca del individuo, la conversión de la angiotensina I (un decapéptido) en angiotensi­ a través del agua, y sale dentro de la campana, justo por encima na II (un octapéptido), una reacción que es catalizada por la enzima del nivel del agua. Así, cuando la persona espira, el aire entra en la convertidora de angiotensina (v. pág. 841). campana y la eleva. El cambio en la elevación de la campana, que podemos registrar en un papel en movimiento, es proporcional al volumen del aire que espira el individuo. Como el aire de los VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES pulmones está saturado con vapor de agua a 37 °C (temperatura y presión corporales, saturado con vapor de agua, o BTPS) y el aire El espirómetro mide los cambios del volumen pulmonar del espirómetro está a temperatura y presión ambientales, saturado El volumen máximo de todas las vías respiratorias en un adulto con vapor de agua, o ATPS, debemos aplicar una corrección de la (la nasofaringe, la tráquea y todas las vías respiratorias hasta los temperatura a la lectura del espirómetro (v. cuadro 26-3). sacos alveolares) habitualmente es de 5-6 l. Los fisiólogos res- La cantidad de aire que entra y sale de los pulmones con cada res­ piratorios han definido una serie de «volúmenes» y «capacidades» piración es el volumen corriente o tidal (VT o TV). Durante la pulmonares que, aunque no se corresponden con una localización respiración tranquila, el VT es de ∼500 ml. La porción inicial del anatómica particular, son fáciles de medir con instrumentos de espirograma de la figura 26-8B ilustra los cambios del volumen laboratorio sencillos y transmiten información útil para la eva- pulmonar durante la respiración tranquila. El producto de VT por luación clínica. la frecuencia de las respiraciones es la ventilación total, que se Un espirómetro mide el volumen de aire inspirado y espirado expresa en litros por minuto (BTPS). y, por tanto, el cambio en el volumen pulmonar. En la actualidad, Como debido a la alimentación occidental típica el metabolis- los espirómetros son ordenadores complejos, muchos tan pequeños mo consume más O2 (∼250 ml/min) que el CO2 que produce que se pueden sujetar fácilmente en la palma de la mano. La persona (∼200 ml/min; v. págs. 1187-1188), el volumen de aire que entra sopla contra una resistencia predeterminada y el dispositivo realiza en el cuerpo con cada respiración es ligeramente mayor (∼1%) que todos los cálculos e interpretaciones. Sin embargo, los principios el volumen que sale. Para describir los cambios del volumen pul- del análisis espirométrico son en gran medida los mismos que monar, los fisiólogos respiratorios han decidido medir el volumen los del espirómetro «antiguo» que se muestra en la figura 26-8A, que sale, el volumen pulmonar espirado (VE). © Elsevier. Fotocopiar sin autorización es un delito. Figura 26-8 Funcionamiento de un espirómetro sencillo. 602 SECCIÓN V Sistema respiratorio Al final de una inspiración tranquila, el volumen adicional de 4. La capacidad vital (CV) es la suma del VRI, el VT y el VRE. En aire que la persona podría inhalar con un esfuerzo máximo se otras palabras, la CV es el máximo VT que se puede alcanzar y conoce como volumen de reserva inspiratorio (VRI). La magni- depende de los mismos factores que se han señalado antes para tud del VRI depende de varios factores, entre los que se encuentran el VRI y el VRE. En pacientes con una enfermedad pulmonar, los siguientes: el médico puede monitorizar periódicamente la CV para seguir 1. Volumen corriente pulmonar. Cuanto mayor sea el volumen la progresión de la enfermedad. corriente pulmonar después de la inspiración, menor será el VRI. Al final del registro espirográfico de la figura 26-8B la persona 2. Distensibilidad pulmonar. La disminución de la distensibili- hizo un esfuerzo inspiratorio máximo y después espiró lo más dad, la medida de lo fácil que es insuflar los pulmones, hará que rápida y completamente posible. El volumen de aire espirado en también disminuya el VRI. 1 segundo en esas condiciones es el volumen espiratorio máximo 3. Fuerza muscular. Si los músculos respiratorios son débiles, o si en 1 segundo (VEMS). En adultos sanos y jóvenes, el VEMS es hay una alteración en su inervación, también disminuirá el VRI. ∼80% de la CV. El VEMS depende de todos los factores que afectan 4. Confort. El dolor asociado a una lesión o enfermedad limi- a la CV, así como de la resistencia de las vías aéreas. Por tanto, el ta el deseo o la capacidad de hacer un esfuerzo inspiratorio VEMS es una medida útil para monitorizar diversos trastornos máximo. respiratorios y la eficacia del tratamiento. 5. Flexibilidad del esqueleto. La rigidez articular, causada por enfermedades como la artritis y la cifoescoliosis (es decir, cur- El volumen de distribución del helio o del nitrógeno vatura de la columna), reduce el volumen máximo hasta el que en el pulmón es una estimación del VR se pueden insuflar los pulmones. 6. Postura. El VRI disminuye cuando una persona está en decú- Aunque no podemos utilizar un espirómetro para medir el bito, porque el diafragma tiene más dificultad para mover el VR o cualquier capacidad que contenga el VR (es decir, CRF y contenido abdominal. CPT), podemos utilizar dos métodos generales para medir el VR, ambos basados en la ley de la conservación de la masa. Después de una espiración tranquila, el volumen de aire adicio- En el primer método calculamos el VR a partir del volumen de nal que se puede espirar con un esfuerzo máximo es el volumen distribución del helio (He) o del nitrógeno (N2). Sin embargo, de reserva espiratorio (VRE). La magnitud del VRE depende de puede utilizarse cualquier gas no tóxico siempre que no atraviese los mismos factores que se han señalado antes y de la fuerza de los rápidamente la barrera hematogaseosa. En el segundo método, músculos abdominales y de otros músculos necesarios para pro- que se analiza en el siguiente apartado, se calcula el VR utili- ducir un esfuerzo espiratorio máximo. zando la ley de Boyle. Incluso después de un esfuerzo espiratorio máximo queda una El principio que subyace al método del volumen de distribu­ cantidad elevada de aire dentro de los pulmones, el volumen resi­ ción es que la concentración de una sustancia es el cociente de dual (VR). Como el espirómetro puede medir únicamente el aire la masa (en moles) respecto al volumen (en litros). Si la masa es que entra o sale de los pulmones, evidentemente no tiene ninguna constante y podemos medir la masa y la concentración, entonces utilidad para determinar el VR. Sin embargo, veremos que se dis- podemos calcular el volumen del compartimento fisiológico pone de otros métodos para medir el VR. ¿Es un error de diseño en el que está distribuida la masa. En nuestro caso, pedimos a que los pulmones contengan aire que no pueden espirar? ¿No sería la persona que respire un gas que no puede escapar de las vías mejor que los pulmones expulsaran todo el aire y que se colapsaran respiratorias. A partir de la masa y la concentración del gas, totalmente durante una espiración máxima? El colapso total sería determinadas experimentalmente, podemos calcular el volumen perjudicial por al menos dos motivos: 1) después del colapso de pulmonar. una vía respiratoria hace falta una presión anormalmente elevada para volver a insuflarla. Al minimizar el colapso de las vías res- Técnica de dilución de helio Comenzamos con un espiróme- piratorias, la presencia del VR optimiza el gasto energético. 2) El tro que contiene aire con el 10% de He; esta es la concentración flujo sanguíneo hacia los pulmones y otras partes del cuerpo es inicial de He, [He]inicial = 10% (fig. 26-9A). Utilizamos He porque continuo, aunque la ventilación sea episódica. Así, incluso después es poco soluble en agua y, por tanto, difunde lentamente a través de un esfuerzo espiratorio máximo, el VR permite que haya un de la pared alveolar (v. págs. 661-663). En este ejemplo, el volumen intercambio continuo de gases entre la sangre venosa mixta y el inicial del espirómetro, VE,inicial, incluyendo el aire hasta la válvula aire alveolar. Si el VR fuera extremadamente bajo, la composición en la boca del individuo, es de 2 l. La cantidad de He en el sistema de la sangre que sale de los pulmones oscilaría mucho entre una del espirómetro al comienzo de nuestro experimento es, por tanto, Po2 elevada en el punto más alto de la inspiración y una Po2 baja [He]inicial × VE,inicial, o (10%) × (2 l) = 0,2 l. en el punto más bajo de la espiración. Ahora abrimos la válvula de la boca y permitimos que la persona Los cuatro volúmenes primarios que hemos definido (VT, VRI, respire el aire del espirómetro hasta que el He se distribuya de VRE y VR) no se superponen entre sí (v. fig. 26-8B). Las capaci- manera homogénea en todo el espirómetro y las vías respiratorias. dades pulmonares son diversas combinaciones de estos cuatro Después de alcanzarse el estado de equilibrio, la concentración volúmenes primarios: final de He ([He]final) es la misma en las vías respiratorias que en el 1. La capacidad pulmonar total (CPT) es la suma de los cuatro espirómetro. El volumen del «sistema» (el volumen del espiróme- volúmenes. tro, VE, más el volumen pulmonar, VP) está fijo desde el instante 2. La capacidad residual funcional (CRF) es la suma del VRE en que abrimos la válvula entre el espirómetro y la boca. Cuando y el VR y es la cantidad de aire que queda dentro del aparato la persona inspira, aumenta el VP, y el VE disminuye en la mis- respiratorio después de una espiración tranquila. Como la CRF ma cantidad. Cuando la persona espira, el VP disminuye y el VE incluye el VR, no se puede medir utilizando solo un espirómetro. aumenta, pero (VP + VE) se mantiene sin cambios. Como el sistema 3. La capacidad inspiratoria (CI) es la suma del VRI y el VT. Des- no pierde He, el contenido total de He después del equilibrio debe pués de una espiración tranquila, la CI es la máxima cantidad ser el mismo que al comienzo. En nuestro ejemplo, suponemos de aire que se puede inspirar. que la [He]final es 5%. 604 SECCIÓN V Sistema respiratorio Si los volúmenes del espirómetro y los pulmones al final del la masa de N2 que está ahora en la bolsa es la misma que había experimento son los mismos que al comienzo, N26-11 previamente en los pulmones, [He ]inicial ⋅ VE = [He ]final ⋅( VE + VP ) (26-3)  N 2 inicial ⋅ VP =  N 2  bolsa ⋅ Vbolsa (26-6) Resolviendo para calcular el volumen pulmonar, obtenemos: Así, el volumen pulmonar es:  [He ]inicial   N 2  bolsa VP = VE ⋅  − 1 (26-4) VP = Vbolsa ⋅ (26-7)  [He ]final   N 2 inicial Si ahora introducimos los valores de nuestro experimento, A modo de ilustración, considérese un caso en el que [N2]inicial sea 75%. Si el volumen de gas que se expulsa hacia la bolsa es 40 l,  10%  hay una ventilación total de aproximadamente 6 l/min durante VP = 2 l ⋅  −1 = 2 l (26-5)  5%  7 minutos, y [N2]bolsa es 3,75%, entonces: VP corresponde al volumen pulmonar en el instante en el que 3,75% VP = 40 l ⋅ =2l (26-8) abrimos la válvula y permitimos que el He empiece a equilibrarse. 75% Si queremos medir la CRF, abrimos la válvula inmediatamente después del final de una espiración tranquila. Si abrimos la válvu­ ¿Qué volumen o capacidad pulmonar particular representa VP? la después de una espiración máxima, entonces el VP calculado es El valor calculado de VP es el volumen pulmonar en el momento el VR. Como la persona reinhala la mezcla de aire en el espirómetro en el que el individuo empieza a inspirar O2 al 100%. Por tanto, si hasta que la [He] se estabiliza, el método de dilución de He es un el individuo acabara de terminar una espiración tranquila antes de método de circuito cerrado. empezar a inspirar el O2, VP sería la CRF; si el individuo acabara de hacer un esfuerzo espiratorio máximo, VP representaría el VR. Método de lavado de N2 Imagine que tiene una taza de papel El principal elemento en el método de lavado de N2 es el requisito que contiene un refresco rojo. Quiere «vaciar» la taza, pero de que, durante el período en el que se respira O2, todo el N2 que quiere conocer el «volumen residual» de refresco que queda- previamente estaba en los pulmones (y no más) acabe en la bolsa. rá adherido al interior de la taza (V taza) después de vaciarla. En otras palabras, asumimos que el N2 no difunde de manera signifi- Primero, antes de vaciar la taza, determina la concentración cativa entre la sangre y el aire alveolar durante nuestro experimento del colorante rojo en el refresco; esto es [colorante rojo] taza. de 7 minutos. Como el N2 tiene una solubilidad en agua baja y, por Ahora vacíe la taza. Aunque todavía no conoce Vtaza, el producto tanto, la cantidad disuelta en los líquidos corporales es muy baja a [colorante rojo] taza × V taza es la masa de colorante rojo resi- la presión barométrica normal, la velocidad de difusión del N2 a dual que queda en la taza. A continuación añada agua caliente través de la pared alveolar es muy baja (v. págs. 661-663). Por tanto, a la taza, agítela por dentro y vierta el agua, ahora rojiza, en nuestro supuesto es casi correcto. En principio podríamos precargar un cilindro graduado. Después de repetir este ejercicio varias el pulmón con cualquier gas no tóxico insoluble en agua (p. ej., He) veces verá que prácticamente todo el colorante rojo está ahora y después lavarlo con cualquier gas diferente (p. ej., aire ambiente). en el cilindro graduado. Por último, determine el volumen de Como en el método de lavado de N2 la persona inspira desde un fluido que hay en el cilindro (Vcilindro) y mida la concentración depósito y espira hacia otro, es una técnica de sistema abierto. de colorante rojo. Como [colorante rojo] taza × V taza es igual que [colorante rojo]cilindro × Vcilindro, puede calcular fácilmente El pletismógrafo, junto con la ley de Boyle, el volumen residual de refresco que había en la taza. Este es el es una herramienta para estimar el VR principio que subyace al método de lavado de N2. Supongamos que el volumen pulmonar inicial es V P y que También podemos calcular el VP a partir de cambios pequeños la concentración inicial de gas nitrógeno en los pulmones es en la presión y el volumen pulmonares que se producen cuando [N2]inicial. Por tanto, la masa de N2 en los pulmones al comienzo una persona intenta inspirar a través de una vía respiratoria obs- es [N2]inicial × VP. Ahora pedimos al individuo que respire a través truida. Este abordaje se basa en la ley de Boyle, que afirma que, de una boquilla equipada con una válvula especial (v. fig. 26-9B). si la temperatura y el número de moléculas de gas se mantienen Durante la inspiración, el aire procede de un depósito de O2 al constantes, el producto de presión por volumen es una constante: 100%; el aspecto fundamental es que este aire inspirado no con- tiene N2. Durante la espiración, el gas espirado va a una bolsa P ⋅ VP = constante (26-9) con un volumen inicial de cero. Cada inspiración de O2 al 100% diluye el N2 de los pulmones. Cada espiración envía una fracción Para aprovechar esta relación, pedimos al paciente que entre en del N2 restante a la bolsa. Así, la [N2] de los pulmones disminuye una cabina estanca denominada pletismógrafo (del griego plethein de forma escalonada con cada respiración hasta que por último la [estar lleno]), que es similar a una cabina telefónica. La persona persona ha eliminado hacia la bolsa prácticamente todo el N2 que respira a través de un tubo que está conectado con el exterior había estado inicialmente en los pulmones. En la bolsa también (v. fig. 26-9C). Este tubo está unido a un manómetro que registra entra parte del O2 inspirado y todo el CO2 espirado. El tiempo que la presión en la boca y un obturador controlado electrónicamente se tarda habitualmente en eliminar mediante lavado el N2 con la que puede, a demanda, obstruir por completo el tubo. El pletis- respiración normal es de 7 minutos, después de lo cual la bolsa mógrafo de tipo Mead que se muestra en la figura 26-9C tiene un tiene un volumen Vbolsa y una concentración de N2 [N2]bolsa. Como espirómetro conectado. Cuando la persona inspira, el volumen