Manual de Estudio de Fisiología 2022 (PDF)

MATERIAL DE ESTUDIO FISIOLOGÍA EXTRACTO DE A. GUYTON Y J. HALL “Tratado de Fisiología Médica” (12a. Edición) Barcelona 2016. ÍNDICE CAPÍTULO 1 Músculo cardíaco: el corazón como bomba y la función de las válvulas cardíacas………………………………………………..........................................................pág. 3-10 CAPÍTULO 2 Visión general de la circulación; biofísica de la presión, el flujo y la resistencia………………………………………………………………………………......pág. 11-14 CAPÍTULO 3 Ventilación pulmonar...……………………………………..……pág. 15-19 CAPÍTULO 4 Transporte de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre y los líquidos tisulares………………….………………………………………………………………….pág. 19-26 CAPÍTULO 5 Regulación de la respiración………………………...……….…pág. 27-34 CAPÍTULO 6 Organización del sistema nervioso, funciones básicas de las sinapsis y neurotransmisores………………………………………………………………………......pág. 35-45 CAPÍTULO 7 Funciones motoras de la médula espinal los reflejos medulares…………………………………………………………………………………...pág. 45-59 CAPÍTULO 8 Energética y metabolismo……………………………………………………………………..…………pág. 60-76 CAPÍTULO 9 Introducción a la endocrinología………………………………………………………………..……….……pág. 72-76 CAPÍTULO 10 Hormonas hipofisarias y su control por el hipotálamo….………………………………………………………………………..……..pág. 76-86 Capítulo 1 Músculo cardíaco: el corazón como bomba y la función de las válvulas cardíacas Con este capítulo comenzamos el análisis del corazón y del aparato circulatorio. El corazón, que se muestra en la figura 9-1, está formado por dos bombas separadas: un corazón derecho que bombea sangre hacia los pulmones y un corazón izquierdo que bombea sangre hacia los órganos periféricos. A su vez, cada uno de estos, es una bomba bicameral pulsátil formada por una aurícula y un ventrículo. Cada una de las aurículas es una bomba débil de cebado del ventrículo, que contribuye a transportar sangre hacia el ventrículo correspondiente. Los ventrículos después aportan la principal fuerza del bombeo que impulsa la sangre: 1) hacia la circulación pulmonar por el ventrículo derecho o 2) hacia la circulación periférica por el ventrículo izquierdo. Figura 9-1 Estructura del corazón y trayecto del flujo sanguíneo a través de las cavidades cardíacas y de las válvulas cardíacas Mecanismos especiales del corazón producen una sucesión continuada de contracciones cardíacas denominada ritmicidad cardíaca, que transmite potenciales de acción por todo el músculo cardíaco y determina su latido rítmico. Fisiología del músculo cardíaco El corazón está formado por tres tipos principales de músculo cardíaco: músculo auricular, músculo ventricular y fibras musculares especializadas de excitación y de conducción. El músculo auricular y ventricular se contrae de manera muy similar al músculo esquelético, excepto que la duración de la contracción es mucho mayor. No obstante, las fibras especializadas de excitación y de conducción se contraen sólo débilmente porque contienen pocas fibrillas contráctiles; en cambio, presentan descargas eléctricas rítmicas 3 automáticas en forma de potenciales de acción o conducción de los potenciales de acción por todo el corazón, formando así un sistema excitador que controla el latido rítmico cardíaco. Anatomía fisiológica del músculo cardíaco La figura 9-2 muestra la histología del músculo cardíaco, que presenta las fibras musculares cardíacas dispuestas en un retículo, de modo que las fibras se dividen, se vuelven a combinar y se separan de nuevo. Se puede ver fácilmente a partir de esta imagen que el músculo cardíaco es estriado igual que el músculo esquelético. Figura 9-2 Naturaleza interconectada, «sincitial», de las fibras del músculo cardíaco. Además, el músculo cardíaco tiene las miofibrillas típicas que contienen filamentos de actina y de miosina casi idénticos a los que se encuentran en el músculo esquelético; estos filamentos están unos al lado de otros y se deslizan entre sí durante la contracción de la misma manera que ocurre en el músculo esquelético, aunque en otros aspectos el músculo cardíaco es bastante diferente del músculo esquelético, como se verá. Esta división del músculo del corazón en dos sincitios funcionales permite que las aurículas se contraigan un pequeño intervalo antes de la contracción ventricular, lo que es importante para la eficacia del bombeo del corazón. El ciclo cardíaco Los fenómenos cardíacos que se producen desde el comienzo de un latido cardíaco hasta el comienzo del siguiente se denominan ciclo cardíaco. Cada ciclo es iniciado por la generación espontánea de un potencial de acción en el nódulo sinusal. Este nódulo está localizado en la pared superolateral de la aurícula derecha, cerca del orificio de la vena cava superior, y el potencial de acción viaja desde aquí rápidamente por ambas aurículas y después a través del haz auriculoventricular (AV) hacia los ventrículos. Debido a esta disposición especial del sistema de conducción desde las aurículas hacia los ventrículos, hay un retraso de más de 0,1 s durante el paso del impulso cardíaco desde las aurículas a los ventrículos. Esto permite que las aurículas se contraigan antes de la contracción ventricular, bombeando de esta manera sangre hacia los ventrículos antes de que comience la intensa contracción ventricular. Por tanto, las aurículas actúan como bombas de cebado para los 4 ventrículos, y los ventrículos a su vez proporcionan la principal fuente de potencia para mover la sangre a través del sistema vascular del cuerpo. Diástole y sístole El ciclo cardíaco está formado por un período de relajación que se denomina diástole, seguido de un período de contracción denominado sístole. La duración del ciclo cardíaco total, incluidas la sístole y la diástole, es el valor inverso de la frecuencia cardíaca. Por ejemplo, si la frecuencia cardíaca es de 72 latidos por minuto, la duración del ciclo cardíaco es de 1/72 latidos por minuto, aproximadamente 0,0139 min por latido, o 0,833 segundos (s) por latido. La figura 9-7 muestra los diferentes acontecimientos que se producen durante el ciclo cardíaco para el lado izquierdo del corazón. Las tres curvas superiores muestran los cambios de presión en la aorta, en el ventrículo izquierdo y en la aurícula izquierda, respectivamente. La cuarta curva representa los cambios del volumen ventricular izquierdo, la quinta el electrocardiograma y la sexta un fonocardiograma, que es un registro de los ruidos que produce el corazón (principalmente las válvulas cardíacas) durante su función de bombeo. Es especialmente importante que el lector estudie en detalle esta figura y que comprenda las causas de todos los acontecimientos que se muestran. Figura 9-7 Acontecimientos del ciclo cardíaco para la función del ventrículo izquierdo, que muestran los cambios de la presión auricular de la presión ventricular izquierda, de la presión aórtica, del volumen ventricular, del electrocardiograma y del fonocardiograma. AV auriculoventricular. El aumento de la frecuencia cardíaca reduce la duración del ciclo cardiaco. Cuando aumenta la frecuencia cardíaca, la duración de cada ciclo cardíaco disminuye, incluidas las fases de contracción y relajación. La duración del potencial de acción y el período de 5 contracción (sístole) también decrece, aunque no en un porcentaje tan elevado como en la fase de relajación (diástole). Para una frecuencia cardíaca normal de 72 latidos por minuto, la sístole comprende aproximadamente 0,4 del ciclo cardíaco completo. Para una frecuencia cardíaca triple de lo normal, la sístole supone aproximadamente 0,65 del ciclo cardíaco completo. Esto significa que el corazón que late a una frecuencia muy rápida no permanece relajado el tiempo suficiente para permitir un llenado completo de las cámaras cardíacas antes de la siguiente contracción. Relación del electrocardiograma con el ciclo cardíaco El electrocardiograma de la figura 9-7 muestra las ondas P, Q, R, S y T. Son los voltajes eléctricos que genera el corazón, y son registrados mediante el electrocardiógrafo desde la superficie del cuerpo. La onda P está producida por la propagación de la despolarización en las aurículas, y es seguida por la contracción auricular, que produce una ligera elevación de la curva de presión auricular inmediatamente después de la onda P electrocardiográfica. Aproximadamente 0,16 s después del inicio de la onda P, las ondas QRS aparecen como consecuencia de la despolarización eléctrica de los ventrículos, que inicia la contracción de los ventrículos y hace que comience a elevarse la presión ventricular, como también se muestra en la figura. Por tanto, el complejo QRS comienza un poco antes del inicio de la sístole ventricular. Finalmente, en el electrocardiograma se observa la onda T ventricular, que representa la fase de repolarización de los ventrículos, cuando las fibras del músculo ventricular comienzan a relajarse. Por tanto, la onda T se produce un poco antes del final de la contracción ventricular. Desbordamiento de los ventrículos durante la sístole Período de contracción isovolumétrica (isométrica). Inmediatamente después del comienzo de la contracción ventricular se produce un aumento súbito de presión ventricular, como se muestra en la figura 9-7, lo que hace que se cierren las válvulas AV. Después son necesarios otros 0,02 a 0,03 s para que el ventrículo acumule una presión suficiente para abrir las válvulas AV semilunares (aórtica y pulmonar) contra las presiones de la aorta y de la arteria pulmonar. Por tanto, durante este período se produce contracción en los ventrículos, pero no vaciado. Esto se denomina período de contracción isovolumétrica o isométrica, lo que quiere decir que se produce aumento de la tensión en el músculo cardiaco, pero con un acortamiento escaso o nulo de las fibras musculares. Período de eyección. 6 Cuando la presión ventricular izquierda aumenta ligeramente por encima de 80 mmHg (milímetros de mercurio) (y la presión ventricular derecha ligeramente por encima de 8 mmHg), las presiones ventriculares abren las válvulas semilunares. Inmediatamente comienza a salir la sangre de los ventrículos, de modo que aproximadamente el 70% del vaciado de la sangre se produce durante el primer tercio del período de eyección y el 30% restante del vaciado durante los dos tercios siguientes. Por tanto, el primer tercio se denomina período de eyección rápida y los dos tercios finales período de eyección lenta. Período de relajación isovolumétrica (isométrica). Al final de la sístole comienza súbitamente la relajación ventricular, lo que permite que las presiones intraventriculares derecha e izquierda disminuyan rápidamente. Las presiones elevadas de las grandes arterias distendidas que se acaban de llenar con la sangre que procede de los ventrículos que se han contraído empujan inmediatamente la sangre de nuevo hacia los ventrículos, lo que cierra súbitamente las válvulas aórtica y pulmonar. Durante otros 0,03 a 0,06 s el músculo cardíaco sigue relajándose, aún cuando no se modifica el volumen ventricular, dando lugar al período de relajación isovolumétrica o isométrica. Durante este período las presiones intraventriculares disminuyen rápidamente y regresan a sus bajos valores diastólicos. Después se abren las válvulas AV para comenzar un nuevo ciclo de bombeo ventricular. Volumen telediastólico, volumen telesistólico y volumen sistólico. Durante la diástole, el llenado normal de los ventrículos aumenta el volumen de cada uno de los ventrículos hasta aproximadamente 110 a 120 ml. Este volumen se denomina volumen telediastólico. Después, a medida que los ventrículos se vacían durante la sístole, el volumen disminuye aproximadamente 70 ml, lo que se denomina volumen sistólico. El volumen restante que queda en cada uno de los ventrículos, aproximadamente 40 a 50 ml, se denomina volumen telesistólico. La fracción del volumen telediastólico que es propulsada se denomina fracción de eyección, que habitualmente es igual a aproximadamente el 60%. Cuando el corazón se contrae con fuerza el volumen telesistólico puede disminuir hasta un valor tan bajo como 10 a 20 ml. Por el contrario, cuando fluyen grandes cantidades de sangre hacia los ventrículos durante la diástole, los volúmenes telediastólicos ventriculares pueden llegar a ser tan grandes como 150 a 180 ml en el corazón sano. Mediante el aumento del volumen telediastólico y la reducción del volumen telesistólico se puede aumentar el volumen sistólico hasta más del doble de lo normal. 7 Figura 9-7 Válvulas mitral y aórtica (válvulas del ventrículo muerdo). Regulación del bombeo cardíaco. Cuando una persona está en reposo el corazón sólo bombea de 4 a 6 L de sangre cada minuto. Durante el ejercicio intenso puede ser necesario que el corazón bombee de 4 a 7 veces esta cantidad. Los mecanismos básicos mediante los que se regula el volumen que bombea el corazón son: 1) regulación cardíaca intrínseca del bombeo en respuesta a los cambios del volumen de la sangre que fluye hacia el corazón y 2) control de la frecuencia cardíaca y del bombeo cardíaco por el sistema nervioso autónomo. Regulación intrínseca del bombeo cardíaco: el mecanismo de Frank-Starling. En la mayor parte de las situaciones la cantidad de sangre que bombea el corazón cada minuto está determinada, por lo común, casi totalmente por la velocidad del flujo sanguíneo hacia el corazón desde las venas, que se denomina retorno venoso. Es decir, todos los tejidos periféricos del cuerpo controlan su propio flujo sanguíneo local, y todos los flujos tisulares locales se combinan y regresan a través de las venas hacia la aurícula derecha. El corazón, a su vez, bombea automáticamente hacia las arterias esta sangre que le llega, de modo que pueda fluir de nuevo por el circuito. Esta capacidad intrínseca del corazón de adaptarse a volúmenes crecientes de flujo sanguíneo de entrada se denomina mecanismo de Frank-Starling del corazón en honor de Otto Frank y Ernest Starling, dos grandes fisiólogos de hace un siglo. Básicamente, el mecanismo de Frank-Starling significa que cuanto más se distiende el músculo cardíaco durante el llenado, mayor es la fuerza de contracción y mayor es la cantidad de sangre que bombea hacia la aorta. O, enunciado de otra manera, dentro de límites fisiológicos el corazón bombea toda la sangre que le llega procedente de las venas. ¿Cuál es la explicación del mecanismo de Frank-Starling? Cuando una cantidad adicional de sangre fluye hacia los ventrículos, el propio músculo cardíaco es distendido hasta una mayor longitud. Esto, a su vez, hace que el músculo se contraiga con más fuerza porque los filamentos de actina y de miosina son desplazados hacia un grado más óptimo de superposición para la generación de fuerza. Por tanto, el ventrículo, debido al aumento de la función de bomba, bombea automáticamente la sangre adicional hacia las arterias. 8 Esta capacidad del músculo distendido, hasta una longitud óptima, de contraerse con un aumento del trabajo cardíaco, es característica de todo el músculo estriado, y no es simplemente una característica del músculo cardíaco. Además del importante efecto del aumento de longitud del músculo cardíaco, hay otro factor que aumenta la función de bomba del corazón cuando aumenta su volumen. La distensión de la pared de la aurícula derecha aumenta directamente la frecuencia cardíaca en un 10-20%; esto también contribuye a aumentar la cantidad de sangre que se bombea cada minuto, aunque su contribución es mucho menor que la del mecanismo de Frank-Starling. Curvas de función ventricular. Una de las mejores formas de expresar la capacidad funcional de los ventrículos de bombear sangre es mediante las curvas de función ventricular, como se muestra en las figuras 9-11 y 9-12. La figura 9-11 muestra un tipo de curva de función ventricular denominada curva de trabajo sistólico. Obsérvese que a medida que aumenta la presión auricular de cada uno de los lados del corazón, el trabajo sistólico de ese lado aumenta hasta que alcanza el límite de la capacidad de bombeo del ventrículo. La figura 9-12 muestra otro tipo de curva de función ventricular denominada curva de volumen ventricular. Las dos curvas de esta figura representan la función de los ventrículos del corazón humano basadas en datos extrapolados de animales inferiores. A medida que aumentan las presiones las aurículas derecha e izquierda, también lo hacen los volúmenes ventriculares por minuto respectivos. Figura 9-11 Curvas de función ventricular izquierda y derecha registradas en perros, que representan el trabajo sistólico ventricular en función de las presiones auriculares medias izquierda y derecha. (Curvas reconstruidas a partir de los datos de Sarnoff SJ: Myocardial contractility as described by ventricular function curves. Physiol Rev 35:107,1955.) 9 Figura 9-12 Curvas del volumen ventricular derecho e izquierdo normal aproximadas para el corazón humano en reposo normal, extrapoladas a partir de los datos que se han obtenido en perros y datos de seres humanos. Así, las curvas de función ventricular son otra forma de expresar el mecanismo de Frank-Starling del corazón. Es decir, a medida que los ventrículos se llenan en respuesta a unas presiones auriculares más altas, se produce aumento del volumen de los dos ventrículos y de la fuerza de la contracción del músculo cardíaco, lo que hace que el corazón bombee mayores cantidades de sangre hacia las arterias. Control del corazón por los nervios simpáticos y parasimpáticos. La eficacia de la función de bomba del corazón también está controlada por los nervios simpáticos y parasimpáticos (vagos), que inervan de forma abundante el corazón, como se muestra en la figura 9-13. Para niveles dados de presión auricular de entrada, la cantidad de sangre que se bombea cada minuto (gasto cardíaco) con frecuencia se puede aumentar más de un 100% por la estimulación simpática. Por el contrario, el gasto se puede disminuir hasta un valor tan bajo como cero o casi cero por la estimulación vagal (parasimpática). Figura 9-13 Nervios simpáticos y parasimpáticos cardíacos. (Los nervios vagos que se dirigen hacia el corazón son nervios parasimpáticos.) 10 Mecanismos de excitación del corazón por los nervios simpáticos. La estimulación simpática intensa puede aumentar la frecuencia cardíaca en seres humanos adultos jóvenes desde la frecuencia normal de 70 latidos por minuto hasta 180 a 200 y, raras veces, incluso 250 latidos por minuto. Además, la estimulación simpática aumenta la fuerza de la contracción cardíaca hasta el doble de lo normal, aumentando de esta manera el volumen de sangre que se bombea y aumentando la presión de eyección. Así, con frecuencia la estimulación simpática puede aumentar el gasto cardíaco máximo hasta dos o tres veces, además del aumento del gasto que produce el mecanismo de Frank-Starling que ya se ha comentado. Por el contrario, la inhibición de los nervios simpáticos del corazón puede disminuir la función de bomba del corazón en un grado moderado de la siguiente manera: en condiciones normales, las fibras nerviosas simpáticas que llegan al corazón descargan continuamente a una frecuencia baja que mantiene el bombeo aproximadamente un 30% por encima del que habría sin estimulación simpática. Por tanto, cuando la actividad del sistema nervioso simpático disminuye por debajo de lo normal, este fenómeno produce reducción tanto de la frecuencia cardíaca como de la fuerza de la contracción del músculo ventricular, reduciendo de esta manera el nivel de bombeo cardíaco hasta un 30% por debajo de lo normal. Estimulación parasimpática (vagal) del corazón. La estimulación intensa de las fibras nerviosas parasimpáticas de los nervios vagos que llegan al corazón puede interrumpir el latido cardíaco durante algunos segundos, pero después el corazón habitualmente «escapa» y late a una frecuencia de 20 a 40 latidos por minuto mientras continúe la estimulación parasimpática. Además, la estimulación vagal intensa puede reducir la fuerza de la contracción del músculo cardíaco en un 20-30%. Las fibras vagales se distribuyen principalmente por las aurículas y no mucho en los ventrículos, en los que se produce la contracción de potencia del corazón. Esto explica el efecto de la estimulación vagal principalmente sobre la reducción de la frecuencia cardíaca, en lugar de reducir mucho la fuerza de la contracción del corazón. Sin embargo, la gran disminución de la frecuencia cardíaca, combinada con una ligera reducción de la fuerza de la contracción cardíaca, puede reducir el bombeo ventricular en un 50% o más. Efecto de la estimulación simpática y parasimpática sobre la curva de función cardíaca. La figura 9-14 muestra cuatro curvas de función cardíaca. Son similares a las curvas de función ventricular de la figura 9-12. Sin embargo, representan la función de todo el corazón y no la de un único ventrículo; muestran la relación entre la presión auricular derecha en la entrada del corazón y el gasto cardíaco procedente del ventrículo izquierdo hacia la aorta. 11 Figura 9-14 Efecto de diferentes grados de estimulación simpática o parasimpática sobre la curva de gasto cardíaco. Las curvas de la figura 9-14 muestran que, a cualquier presión auricular derecha dada, el gasto cardíaco aumenta durante el aumento de la estimulación simpática y disminuye durante el aumento de la estimulación parasimpática. Estas modificaciones del gasto que se producen por la estimulación del sistema nervioso autónomo se deben tanto a modificaciones, de la frecuencia cardíaca como a modificaciones de la fuerza contráctil del corazón, porque se producen modificaciones de ambos parámetros en respuesta a la estimulación nerviosa. Capítulo 2 Visión general de la circulación; biofísica de la presión, el flujo y la resistencia La función de la circulación consiste en atender las necesidades del organismo: transportar nutrientes hacia los tejidos del organismo, transportar los productos de desecho, transportar las hormonas de una parte del organismo a otra y, en general, mantener un entorno apropiado en todos los líquidos tisulares del organismo para lograr la supervivencia y funcionalidad óptima de las células. La velocidad del flujo sanguíneo en muchos de los tejidos se controla principalmente en respuesta a su necesidad de nutrientes. En algunos órganos, como los riñones, la circulación sirve para funciones adicionales. Por ejemplo, el flujo sanguíneo a los riñones es muy superior a sus necesidades metabólicas y está relacionado con su función excretora, que exige que se filtre en cada minuto un gran volumen de sangre. El corazón y los vasos sanguíneos están controlados, a su vez, de forma que proporcionan el gasto cardíaco y la presión arterial necesarios para garantizar el flujo sanguíneo necesario. ¿Cuáles son 12 los mecanismos que permiten controlar el volumen de sangre y el flujo sanguíneo y cómo están relacionados con todas las demás funciones de la circulación? Estos son algunos de los temas que vamos a comentar en esta sección sobre la circulación. Características físicas de la circulación La circulación, como se ve en la figura 14-1, está divida en circulación sistémica y circulación pulmonar. Como la circulación sistémica aporta el flujo sanguíneo a todos los tejidos del organismo excepto los pulmones, también se conoce como circulación mayor o circulación periférica. Figura 14-1 Distribución de la sangre (en porcentaje de la sangre total) en los distintos componentes del sistema circulatorios. Componentes funcionales de la circulación. Antes de comentar los detalles de la función circulatoria, es importante entender el papel que tiene cada componente de la circulación. La función de las arterias consiste en transportar la sangre con una presión alta hacia los tejidos, motivo por el cual las arterias tienen unas paredes vasculares fuertes y unos flujos sanguíneos importantes con una velocidad alta. Las arteriolas son las últimas ramas pequeñas del sistema arterial y actúan controlando los conductos a través de los cuales se libera la sangre en los capilares. Las arteriolas tienen paredes musculares fuertes que pueden cerrarlas por completo o que pueden, al relajarse, dilatar los vasos varias veces, con lo que pueden alterar mucho el flujo sanguíneo en cada lecho tisular en respuesta a sus necesidades. La función de los capilares consiste en el intercambio de líquidos, nutrientes, electrólitos, hormonas y otras sustancias en la sangre y en el líquido intersticial. Para cumplir esta función, las 13 paredes del capilar son muy finas y tienen muchos poros capilares diminutos, que son permeables al agua y a otras moléculas pequeñas. Las vénulas recogen la sangre de los capilares y después se reúnen gradualmente formando venas de tamaño progresivamente mayor. Las venas funcionan como conductos para el transporte de sangre que vuelve desde las vénulas al corazón; igualmente importante es que sirven como una reserva importante de sangre extra. Como la presión del sistema venoso es muy baja, las paredes de las venas son finas. Aun así, tienen una fuerza muscular suficiente para contraerse o expandirse y, de esa forma, actuar como un reservorio controlable para la sangre extra, mucha o poca, dependiendo de las necesidades de la circulación. Volúmenes de sangre en los distintos componentes de la circulación. En la figura 14-1 se muestra una visión general de la circulación junto a los porcentajes del volumen de sangre total en los segmentos principales de la circulación. Por ejemplo, aproximadamente el 84% de todo el volumen de sangre del organismo se encuentra en la circulación sistémica y el 16% en el corazón y los pulmones. Del 84% que está en la circulación sistémica, el 64% está en las venas, el 13% en las arterias y el 7% en las arteriolas y capilares sistémicos. El corazón contiene el 7% de la sangre y los vasos pulmonares, el 9%. Resulta sorprendente el bajo volumen de sangre que hay en los capilares, aunque es allí donde se produce la función más importante de la circulación, la difusión de las sustancias que entran y salen entre la sangre y los tejidos. Superficies transversales y velocidades del flujo sanguíneo. Si todos los vasos sistémicos de cada tipo se pusieran uno al lado del otro, la superficie transversal total aproximada para un ser humano medio sería la siguiente: Obsérvese en particular la superficie transversal mucho mayor de las venas que de las arterias, con una media cuatro veces mayor en las primeras, lo que explica la gran capacidad de reserva de sangre en el sistema venoso comparado con el sistema arterial. Como debe pasar el mismo volumen de flujo sanguíneo (F) a través de cada segmento de la circulación en cada minuto, la velocidad del flujo sanguíneo (v) es inversamente proporcional a la superficie transversal vascular (A). 14 v = F/A Es decir, en condiciones de reposo la velocidad es como media de 33cm /s en la aorta, pero con una velocidad sólo de 1/1.000 en los capilares, es decir, aproximadamente 0,3 mm/s. No obstante, como los capilares tienen una longitud de sólo 0,3 a 1mm, la sangre sólo se queda allí durante 1-3 s. Este breve período de tiempo es sorprendente, porque toda la difusión de los nutrientes y electrólitos que tiene lugar a través de la pared capilar debe hacerse en este tiempo tan corto. Efecto del hematocrito y de la viscosidad de la sangre sobre la resistencia vascular y el flujo sanguíneo Obsérvese que otro de los factores importantes de la ley Poiseuille es la viscosidad de la sangre. Cuanto mayor sea la viscosidad, menor será el flujo en un vaso si todos los demás factores se mantienen constantes. Además, la viscosidad de sangre normal es tres veces mayor que la viscosidad del agua. ¿Qué hace que la sangre sea tan viscosa? Principalmente el gran número de hematíes suspendidos en la sangre, cada uno de los cuales ejerce un arrastre por fricción sobre las células adyacentes y contra la pared del vaso sanguíneo. Hematocrito: proporción de sangre La proporción de la sangre que corresponde a glóbulos rojos se conoce como hematocrito, es decir, si una persona tiene un hematocrito de 40 significa que el 40% del volumen sanguíneo está formado por las células y el resto es plasma. El hematocrito de un varón adulto alcanza un promedio de 42, mientras que en las mujeres es de 38. Estos valores son muy variables, dependiendo de si la persona tiene anemia, del grado de actividad corporal y de la altitud en la que reside la persona. Estos cambios de hematocrito se comentan en relación con los eritrocitos y con su función del transporte del oxígeno. El hematocrito se determina centrifugando la sangre en un tubo calibrado, como se ve en la figura 14-10. La calibración permite la lectura directa del porcentaje de células. 15 Figura 14-10 Hematocrito en una persona sana (normal) y en pacientes con anemia y policitemia. El aumento del hematocrito incrementa mucho la viscosidad de la sangre. La viscosidad de la sangre aumenta drásticamente a medida que lo hace el hematocrito, como se ve en la figura 14-11. La viscosidad de la sangre total con un hematocrito normal es de 3 a 4, lo que significa que se necesita tres veces más presión para obligar a la sangre total a atravesar un vaso que si fuera agua. Cuando el hematocrito aumenta hasta 60 o 70 como sucede en caso de policitemia, la viscosidad de la sangre puede ser hasta 10 veces mayor que la del agua y su flujo a través de los vasos sanguíneos se retrasa mucho. Figura 14-11 Efecto del hematocrito en la viscosidad de la sangre. (viscosidad del agua = 1.) Otros factores que afectan a la viscosidad de la sangre son la concentración y el tipo de las proteínas plasmáticas, pero estos efectos son mucho menores que el efecto del hematocrito, por lo que no son aspectos significativos en la mayoría de los estudios hemodinámicos. La viscosidad del plasma sanguíneo es 1,5 veces la del agua. Efectos de la presión sobre la resistencia vascular y el flujo sanguíneo tisular La «autorregulación» atenúa el efecto de la presión arterial en el flujo sanguíneo tisular. A partir de todo lo comentado, el incremento de la presión arterial debería provocar un incremento proporcional del flujo en los distintos tejidos del organismo, aunque el efecto de la presión arterial sobre el flujo sanguíneo en muchos tejidos suele ser bastante mayor de lo que se debería esperar, como se ve en la figura 14-12. La razón de este incremento es que el aumento de la presión arterial no sólo aumenta la fuerza que impulsa la sangre a través de los vasos, sino que también inicia incrementos compensatorios en la resistencia vascular en un tiempo de unos segundos a través de la activación de los mecanismos locales de control. De modo inverso, con las reducciones en la presión arterial, la mayor parte de la resistencia vascular se reduce en un tiempo breve en la mayoría de los tejidos y el flujo sanguíneo se mantiene relativamente constante. La capacidad de cada tejido de ajustar su resistencia vascular y mantener un flujo sanguíneo normal durante los cambios en la presión arterial entre aproximadamente 70 y 175 mmHg se denomina autorregulación del flujo sanguíneo. 16 Figura 14-12 Efectos de los cambios en la presión arterial durante un período de varios minutos en el flujo sanguíneo en un tejido como el músculo esquelético. Obsérvese que, entre valores de presión de 70 y 175 mmHg, el flujo sanguíneo se «autorregula». La línea azul muestra el efecto en esta relación de la estimulación de los nervios simpáticos o de la vasoconstricción mediante hormonas como noradrenalina, angiotensina II, vasopresina o endotelina. Un flujo sanguíneo tisular reducido rara vez se mantiene durante más de unas horas, debido a la activación de los mecanismos autorreguladores locales que finalmente devuelven el flujo sanguíneo a la normalidad. Capítulo 3 Ventilación pulmonar Las funciones principales de la respiración son proporcionar oxígeno a los tejidos y retira el dióxido de carbono. Las cuatro funciones principales de la respiración son: 1) ventilación pulmonar, que se refiere al flujo de entrada y salida de aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares; 2) difusión de oxígeno y de dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre; 3) transporte de oxígeno y de dióxido de carbono en la sangre y los líquidos corporales hacia las células de los tejidos corporales y desde las mismas, y 4) regulación de la ventilación y otras facetas de la respiración. Capacidades pulmonares En la descripción de los acontecimientos del ciclo pulmonar a veces es deseable considerar dos o más de los volúmenes combinados. Estas combinaciones se denominan capacidades pulmonares. En la parte derecha de la figura 38-6 se presentan las capacidades pulmonares importantes que se pueden describir cómo se señala a continuación: 17 1. La capacidad inspiratoria es igual al volumen corriente más el volumen de reserva inspiratoria. Esta es la cantidad de aire (aproximadamente 3.500 ml) que una persona puede inspirar, comenzando en el nivel espiratorio normal y distendiendo los pulmones hasta la máxima cantidad. 2. La capacidad residual funcional es igual al volumen de reserva espiratoria más el volumen residual. Es la cantidad de aire que queda en los pulmones al final de una espiración normal (aproximadamente 2.300 ml). 3. La capacidad vital es igual al volumen de reserva inspiratoria más el volumen corriente, más el volumen de reserva espiratoria. Es la cantidad máxima de aire que puede expulsar una persona desde los pulmones después de llenar antes los pulmones hasta su máxima dimensión y después espirando la máxima cantidad (aproximadamente 4.600 ml). 4. La capacidad pulmonar total es el volumen máximo al que se pueden expandir los pulmones con el máximo esfuerzo posible (aproximadamente 5.800 ml); es igual a la capacidad vital más el volumen residual. Todos los volúmenes y capacidades pulmonares son aproximadamente un 20-25% menores en mujeres que en varones, y son mayores en personas de constitución grande y atléticas que en personas de constitución pequeña y asténicas. Abreviaturas y símbolos utilizados en las pruebas de función respiratoria La espirometría es sólo una de las muchas técnicas de medición que utiliza a diario el neumólogo. Muchas de estas técnicas de medida dependen mucho de cálculos matemáticos. Para simplificar estos cálculos, así como la presentación de los datos de la función pulmonar, se han estandarizado diversas abreviaturas y símbolos. Los más importantes se muestran en la tabla 37-1. Utilizando estos símbolos presentamos aquí algunos ejercicios algebraicos sencillos que muestran algunas de las interrelaciones entre los volúmenes y capacidades pulmonares; el estudiante debe meditar y verificar estas interrelaciones. C V = VRI + Vc + VRE CV = CI + VRE CPT =CV+VR CPT = CI + CRF CRF = VRE + VR 18 Determinación de la capacidad residual funcional, el volumen residual y la capacidad pulmonar total: método de dilución de helio La capacidad residual funcional (CRF), que es el volumen de aire que queda en los pulmones al final de una espiración normal, es importante en la función pulmonar. Como su valor se altera mucho en algunos tipos de enfermedad pulmonar, con frecuencia es deseable medir esta capacidad. No se puede utilizar de manera directa el espirómetro para medir la capacidad residual funcional porque el aire del volumen residual de los pulmones no se puede espirar hacia el espirómetro, y este volumen constituye aproximadamente la mitad de la capacidad residual funcional. Para medir la capacidad residual funcional se debe utilizar el espirómetro de manera indirecta, habitualmente por medio de un método de dilución de helio, como se señala a continuación. Se llena un espirómetro de volumen conocido con aire mezclado con helio a una concentración conocida. Antes de respirar del espirómetro la persona hace una espiración normal. Al final de esta espiración, el volumen que queda en los pulmones es igual a la capacidad residual funcional. En este punto el paciente comienza inmediatamente a respirar desde el espirómetro, y los gases del espirómetro se mezclan con los gases de los pulmones. En consecuencia, el helio es diluido por los gases de la capacidad residual funcional, y se puede calcular el volumen de la capacidad residual funcional a partir del grado de dilución del helio, utilizando la fórmula siguiente: 19 donde CRF es la capacidad residual funcional, CiHe es la concentración inicial de helio en el espirómetro, CfHe es la concentración final de helio en el espirómetro y ViEsplr es el volumen inicial del espirómetro. Una vez que se ha determinado la CRF, se puede determinar el volumen residual (VR) restando el volumen de reserva espiratoria (VRE), que se mide mediante la espirometría normal, de la CRF. También se puede determinar la capacidad pulmonar total (CPT) sumando la capacidad inspiratoria (CI) a la CRF. Es decir, VR = CRF – VRE y CPT = CRF + CI El volumen respiratorio minuto equivale a la frecuencia respiratoria multiplicada por el volumen corriente El volumen respiratorio minuto es la cantidad total de aire nuevo que pasa hacia las vías respiratorias en cada minuto; es igual al volumen corriente multiplicado por la frecuencia respiratoria por minuto. El volumen corriente normal es de aproximadamente 500 ml y la frecuencia respiratoria normal es de aproximadamente 12 respiraciones por minuto. Por tanto, el volumen respiratorio minuto es en promedio de aproximadamente 6 l/min. Una persona puede vivir durante un período breve con un volumen respiratorio minuto de tan sólo 1,5 l/min y una frecuencia respiratoria de sólo 2 a 4 respiraciones por minuto. La frecuencia respiratoria aumenta de manera ocasional a 40 a 50 por minuto, y el volumen corriente se puede hacer tan grande como la capacidad vital, aproximadamente 4.600 ml en un varón adulto joven. Esto puede dar un volumen respiratorio minuto mayor de 200 l/min, o más de 30 veces el valor normal. La mayor parte de las personas no puede mantener más de la mitad a dos tercios de estos valores durante más de un minuto. Ventilación alveolar En último término, la función de la ventilación pulmonar es renovar continuamente el aire de las zonas de intercambio gaseoso de los pulmones, en las que el aire está próximo a la sangre pulmonar. Estas zonas incluyen los alvéolos, los sacos alveolares, los conductos alveolares y los bronquíolos respiratorios. La velocidad a la que llega a estas zonas el aire nuevo se denomina ventilación alveolar. 20 «Espacio muerto» y su efecto sobre la ventilación alveolar Parte del aire que respira una persona nunca llega a las zonas de intercambio gaseoso, sino que simplemente llena las vías aéreas en las que no se produce intercambio gaseoso, como la nariz, la faringe y la tráquea. Este aire se denomina aire del espacio muerto, porque no es útil para el intercambio gaseoso. Figura 37-7 Registro de los cambios de la concentración de nitrógeno en el aire espirado después de una única inspiración previa de oxígeno puro. Se puede utilizar este registro para calcular el espacio muerto, como se analiza en el texto. Durante la espiración se expulsa primero el aire del espacio muerto, antes de que el aire procedente de los alvéolos llegue a la atmósfera. Por tanto, el espacio muerto es muy desventajoso para retirar los gases espiratorios de los pulmones. Medición del volumen del espacio muerto. En el gráfico de la figura 37-7 se presenta un método sencillo para medir el volumen del espacio muerto. Cuando se hace esta medición, el paciente realiza súbitamente una respiración profunda de oxígeno. Esto llena todo el espacio muerto de oxígeno puro. Parte del oxígeno también se mezcla con el aire alveolar, aunque no sustituye completamente a este aire. Después la persona espira a través de un medidor de nitrógeno que registra rápidamente, y que hace el registro que se muestra en la figura. La primera porción del aire espirado procede de las regiones del espacio muerto de las vías aéreas respiratorias, en las que el aire ha sido sustituido completamente por oxígeno. Por tanto, en la primera fase del registro sólo aparece oxígeno, y la concentración de nitrógeno es cero. Después, cuando el aire alveolar comienza a llegar al medidor de nitrógeno, la concentración de nitrógeno aumenta rápidamente porque el aire alveolar que contiene grandes cantidades de nitrógeno comienza a mezclarse con el aire del espacio muerto. Después de que se haya espirado aún más aire ya se ha eliminado todo el aire del espacio muerto de las vías aéreas, y sólo queda aire alveolar. Por tanto, la concentración de nitrógeno que se registra alcanza una concentración de meseta igual a su concentración en los alvéolos, como se muestra a la derecha de la figura. 21 Pensándolo un poco el estudiante puede ver que la zona gris representa el aire que no tiene nitrógeno en su interior; esta área es una medida del volumen del aire del espacio muerto. Para una cuantificación exacta se utiliza la siguiente ecuación: Área gris x V1 Vm =--------------------------- Área rosa + Área gris donde VM es el aire del espacio muerto y VE es el volumen total de aire espirado. Por ejemplo, consideremos que el área gris del gráfico es de30 cm2, el área rosa es de 70 cm2 y que el volumen espirado totales de 500 ml. El espacio muerto sería 30 ------------x 500, o 150 ml 30 + 70 Volumen normal del espacio muerto. El aire normal del espacio muerto de un varón adulto joven es de aproximadamente150 ml. Este valor aumenta ligeramente con la edad. 22 Capítulo 4 Transporte de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre y los líquidos tisulares Una vez que el oxígeno ha difundido desde los alvéolos hacia la sangre pulmonar, es transportado hacia los capilares de los tejidos periféricos combinado casi totalmente con la hemoglobina. La presencia de hemoglobina en los eritrocitos permite que la sangre transporte de 30 a 100 veces más oxígeno de lo que podría transportar en forma de oxígeno disuelto en el agua de la sangre. En las células de los tejidos corporales el oxígeno reacciona con varios nutrientes para formar grandes cantidades de dióxido de carbono. Este dióxido de carbono entra en los capilares tisulares y es transportado de nuevo hacia los pulmones. El dióxido de carbono, al igual que el oxígeno, también se combina en la sangre con sustancias químicas que aumentan de 15 a 20 veces el transporte del dióxido de carbono. El objetivo de este capítulo es presentar tanto cualitativa como cuantitativamente los principios físicos y químicos del transporte del oxígeno y del dióxido de carbono en la sangre y en los líquidos tisulares. Transporte de oxígeno de los pulmones a los tejidos del organismo Los gases se pueden mover desde un punto a otro mediante difusión, y que la causa de este movimiento es siempre una diferencia de presión parcial desde el primer punto hasta el siguiente. Así, el oxígeno difunde desde los alvéolos hacia la sangre capilar pulmonar porque la presión parcial de oxígeno (Po2) en los alvéolos es mayor que la Po2 en la sangre capilar pulmonar. En los otros tejidos del cuerpo, una mayor Po2 en la sangre capilar que en los tejidos hace que el oxígeno difunda hacia las células circundantes. Por el contrario, cuando el oxígeno se ha metabolizado en las células para formar dióxido de carbono, la presión de dióxido de carbono (P co2) intracelular aumenta hasta un valor elevado, lo que hace que el dióxido de carbono difunda hacia los capilares tisulares. Después de que la sangre fluya hacia los pulmones, el dióxido de carbono difunde desde la sangre hacia los alvéolos, porque la P co 2 en la sangre capilar pulmonar es mayor que en los alvéolos. Así, el transporte del oxígeno y del dióxido de carbono en la sangre depende tanto de la difusión como del flujo de 23 sangre. A continuación, se van a considerar cuantitativamente los factores responsables de estos efectos. Difusión de oxígeno de los alvéolos a la sangre capilar pulmonar La parte superior de la figura 40-1 muestra un alvéolo pulmonar adyacente a un capilar pulmonar, y demuestra la difusión de las moléculas de oxígeno entre el aire alveolar y la sangre pulmonar. La P o2 del oxígeno gaseoso del alvéolo es en promedio de 104 mmHg, mientras que la Po2 de la sangre venosa que entra en el capilar pulmonar en su extremo arterial es en promedio de sólo 40 mmHg porque se extrajo una gran cantidad de oxígeno desde esta sangre cuando pasó por los tejidos periféricos. Por tanto, la diferencia inicial de presión que hace que el oxígeno difunda hacia el capilar pulmonar es de 104 - 40, o 64 mmHg. En el gráfico de la parte inferior de la figura la curva muestra el rápido aumento de la P o2 sanguínea cuando la sangre atraviesa el capilar; la P o2 sanguínea ha aumentado casi hasta la del aire alveolar en el momento en el que la sangre ya ha atravesado un tercio de la distancia del capilar, llegando a hacerse de casi 104 mmHg. Captación del oxígeno por la sangre pulmonar durante el ejercicio. Durante el ejercicio muy intenso el cuerpo de una persona puede precisar hasta 20 veces más oxígeno de lo normal. Además, debido al aumento del gasto cardíaco durante el ejercicio, el tiempo que la sangre permanece en el capilar pulmonar se puede reducir hasta menos de la mitad de lo normal. Sin embargo, debido al gran factor de seguridad de la difusión del oxígeno a través de la membrana pulmonar, a pesar de todo, la sangre está saturada casi totalmente con oxígeno en el momento en el que sale de los capilares pulmonares. Esto se puede explicar de la forma en que se señala a continuación. Primero, la capacidad de difusión del oxígeno aumenta casi tres veces durante el ejercicio; esto se debe principalmente al aumento del área superficial de los capilares que participan en la difusión y también a que el cociente ventilación perfusión es más próximo al ideal en la parte superior de los pulmones. Figura 40-1 Captación de oxígeno por la sangre capilar pulmonar. (La curva de esta figura se construyó a partir de datos de Milhorn HT Jr, Pulley PE Jr: A theoretical study of pulmonary capillary gas exchange and venous admixture. Biophys J 8:337,1968.) 24 Segundo, obsérvese en la curva de la figura 40-1 que en situaciones de reposo la sangre se ha saturado casi completamente de oxígeno en el momento en el que ha atravesado un tercio del capilar pulmonar, y normalmente entra poco oxígeno adicional en la sangre durante los últimos dos tercios de este tránsito. Es decir, la sangre normalmente está en los capilares pulmonares aproximadamente tres veces más del tiempo necesario para producir una oxigenación completa. Por tanto, durante el ejercicio, incluso con un tiempo acortado de exposición en los capilares, la sangre sigue pudiéndose oxigenar totalmente o casi totalmente. Transporte de oxígeno en la sangre arterial Aproximadamente el 98% de la sangre que entra en la aurícula izquierda desde los pulmones acaba de atravesar los capilares alveolares y se ha oxigenado hasta una Po2 de aproximadamente 104 mmHg. Otro 2% de la sangre ha pasado desde la aorta a través de la circulación bronquial, que vasculariza principalmente los tejidos profundos de los pulmones y no está expuesta al aire pulmonar. Este flujo sanguíneo se denomina «flujo de derivación», lo que significa que la sangre se deriva y no atraviesa las zonas de intercambio gaseoso. Cuando sale de los pulmones, la Po2 de la sangre que pasa por la derivación es aproximadamente la de la sangre venosa sistémica normal, de aproximadamente 40 mmHg. Cuando esta sangre se combina en las venas pulmonares con la sangre oxigenada procedente de los capilares alveolares, esta denominada mezcla venosa de sangre hace que la Po2 de la sangre que entra en el corazón izquierdo y que es bombeada hacia la aorta disminuya hasta aproximadamente 95 mmHg. Estos cambios de la Po2 sanguínea en diferentes puntos del sistema circulatorio se muestran en la figura 40-2. Difusión de oxígeno de los capilares periféricos al líquido tisular Cuando la sangre arterial llega a los tejidos periféricos, la Po2 en los capilares sigue siendo de 95 mmHg. Sin embargo, como se muestra en la figura 40-3, la Po2 en el líquido intersticial que rodea las células tisulares es en promedio de sólo 40 mmHg. Así, hay una gran diferencia de presión inicial que hace que el oxígeno difunda rápidamente desde la sangre capilar hacia los tejidos, tan rápidamente que la Po2 capilar disminuye hasta un valor casi igual a la presión de 40 mmHg que hay en el intersticio. Por tanto, la Po2 de la sangre que sale de los capilares tisulares y que entra en las venas sistémicas es también de aproximadamente 40 mmHg. 25 Figura 40-2 Modificaciones de la Po2 en la sangre capilar pulmonar, sangre arterial sistémica y sangre capilar sistémica, que muestran el efecto de la «mezcla venosa». Figura 40-3 Difusión del oxígeno desde un capilar tisular periférico hasta las células. (Po2 en el líquido intersticial = 40 mmHg, y en las células tisulares = 23 mmHg.) Efecto de la velocidad del flujo sanguíneo sobre la Po2 del líquido intersticial. Sí aumenta el flujo sanguíneo que atraviesa un tejido particular, se transportan cantidades mayores de oxígeno hacia el tejido y, por tanto, la Po2 tisular aumenta. Esto se muestra en la figura 40-4. Obsérvese que un aumento del flujohasta el 400% del valor normal aumenta la Po2 desde 40 mmHg en el punto A de la figura) hasta 66 mmHg (en el punto B). Sin embargo, el límite superior hasta el que puede aumentar la Po, incluso con un flujo sanguíneo máximo, es de 95 mmHg, porque esta es la presión de oxígeno en la sangre arterial. Por el contrario, si el flujo sanguíneo a través del tejido disminuye, también disminuye la Po2, como se muestra en el punto C. 26 Figura 40-4 Efecto del flujo sanguíneo y de la velocidad de consumo del oxígeno sobre la Po2 tisular. Efecto de la velocidad del metabolismo tisular sobre la Po2 del líquido intersticial. Si las células utilizan para el metabolismo más oxígeno de lo normal, esto reduce la Po2 del líquido intersticial. La figura 40-4 también demuestra este efecto y muestra la reducción de la Po2 del líquido intersticial cuando el consumo celular de oxígeno aumenta, y el aumento de la Po2 cuando disminuye el consumo. En resumen, la Po2 tisular está determinada por un equilibrio entre: 1) la velocidad del transporte del oxígeno en la sangre hacia los tejidos y 2) la velocidad a la que los tejidos utilizan el oxígeno. Difusión de oxígeno de los capilares periféricos a las células de los tejidos El oxígeno está siendo utilizado siempre por las células. Por tanto, la Po2 intracelular de las células de los tejidos periféricos siempre es más baja que la Po2 de los capilares periféricos. Además, en muchos casos hay una distancia física considerable entre los capilares y las células. Por tanto, la Po, intracelular normal varía desde un valor tan bajo como 5 mmHg hasta un valor tan alto como 40 mmHg, y en promedio (mediante medición directa en animales inferiores) es de 23 mmHg. Como normalmente sólo son necesarios de 1 a 3 mmHg de presión de oxígeno para el soporte completo de los procesos químicos que utilizan oxígeno en la célula, se puede ver que incluso esta baja Po2 intracelular de 23 mmHg es más que adecuada y proporciona un factor de seguridad grande. Difusión de dióxido de carbono de las células de los tejidos periféricos a los capilares y de los capilares pulmonares a los alvéolos Cuando las células utilizan el oxígeno, prácticamente todo se convierte en dióxido de carbono, y esto aumenta la Pco2 intracelular; debido a esta elevada Pco2 de las células tisulares, el dióxido de carbono difunde desde las células hacia los capilares tisulares y después es transportado por la sangre hasta los pulmones. En los pulmones difunde desde los capilares pulmonares hacia los alvéolos y es espirado. Así, en todos los puntos de la cadena de transporte de gases el dióxido de carbono difunde en una dirección exactamente opuesta a la difusión del oxígeno. Sin embargo, hay una diferencia importante entre la difusión del dióxido de carbono y la del oxígeno: el dióxido de carbono puede 27 difundir aproximadamente 20 veces más rápidamente que el oxígeno. Por tanto, las diferencias de presión necesarias para producir la difusión del dióxido de carbono son, en todos los casos, mucho menores que las diferencias de presión necesarias para producir la difusión del oxígeno. Las presiones del C02 son aproximadamente las siguientes: 1. Pco2 intracelular, 46 mmHg; P co2 intersticial, 45 mmHg. Así hay un diferencial de presión de sólo 1 mmHg, como se muestra en la figura 40-5. 2. Pco2 de la sangre arterial que entra en los tejidos, 40 mmHg; Pco2 de la sangre venosa que sale de los tejidos, 45 mmHg. Así, como se muestra en la figura 40-5, la sangre capilar tisular llega casi exactamente al equilibrio con la Pco2 intersticial de 45 mmHg. Figura 40-5 Captación de dióxido de carbono por la sangre en los capilares tisulares. (Pco2 en las células tisulares = 46 mmHg, y en el líquido intersticial = 45 mmHg.) 3. Pco2 de la sangre que entra en los capilares pulmonares en el extremo arterial, 45 mmHg; Pco2 del aire alveolar, 40 mmHg. Así, una diferencia de presión de sólo 5 mmHg produce toda la difusión necesaria del dióxido de carbono desde los capilares pulmonares hacia los alvéolos. Además, como se muestra en la figura 406, la Pco2 de la sangre capilar pulmonar disminuye hasta ser casi exactamente igual a la Pco2 alveolar de 40 mmHg antes de que haya atravesado más de aproximadamente un tercio de la distancia de los capilares. Este es el mismo efecto que se observó antes para la difusión del oxígeno, excepto que ocurre en la dirección opuesta. Efecto de la velocidad del metabolismo tisular y del flujo sanguíneo tisular sobre la Pco2 intersticial. El flujo sanguíneo capilar tisular y el metabolismo tisular afectan a la Pco2 de una manera totalmente opuesta a su efecto sobre la Po2 tisular. La figura 40-7 muestra estos efectos, como se señala a continuación: 1.Una disminución del flujo sanguíneo desde el valor normal (punto A) hasta un cuarto del valor normal (punto B) aumenta la Pco2 de los tejidos periféricos desde el valor normal de 45 mmHg a un nivel elevado de 60 mmHg. Al contrario, el aumento del flujo sanguíneo hasta seis veces el valor normal (punto C) reduce la Pco2 intersticial desde el valor normal de 45 mmHg hasta 41 mmHg, hasta un nivel casi igual a la Pco2 de la sangre arterial (40 mmHg) que entra en los capilares tisulares. 28 Figura 40-6 Difusión del dióxido de carbono desde la sangre pulmonar hada el alvéolo. (La curva de esta figura se construyó a partir de datos de Milhorn HT Jr, Pulley PE Jr: A theoretical study of pulmonary capillary gas exchange and venous admixture. Biophys J 8:337, 1968.) Figura 40-7 Efecto del flujo sanguíneo y la velocidad metabólica sobre la Pco2 de los tejidos periféricos. 2. Obsérvese también que un aumento de 10 veces del metabolismo tisular aumenta mucho la Pco2 del líquido intersticial para todas las velocidades de flujo sanguíneo, mientras que la 29 disminución del metabolismo a un cuarto del valor normal hace que la Pco2 del líquido intersticial disminuya hasta aproximadamente 41 mmHg, acercándose mucho a la de la sangre arterial, 40 mmHg. Función de la hemoglobina en el transporte del oxígeno En condiciones normales aproximadamente el 97% del oxígeno que se transporta desde los pulmones a los tejidos es transportado en combinación química con la hemoglobina de los eritrocitos. El 3% restante se transporta en estado disuelto en el agua del plasma y de las células de la sangre. Así, en condiciones normales el oxígeno es transportado hacia los tejidos casi totalmente por la hemoglobina. Combinación reversible del oxígeno con la hemoglobina La molécula de oxígeno se combina de manera laxa y reversible con la porción hemo de la hemoglobina. Cuando la Po2 es elevada, como en los capilares pulmonares, el oxígeno se une a la hemoglobina, pero cuando la Po2 es baja, como en los capilares tisulares, el oxígeno se libera de la hemoglobina. Esta es la base de casi todo el transporte del oxígeno desde los pulmones hacia los tejidos. Curva de disociación oxígeno-hemoglobina. La figura 40-8 muestra la curva de disociación oxígeno-hemoglobina, que demuestra un aumento progresivo del porcentaje de hemoglobina unida al oxígeno a medida que aumenta la P 0 2 sanguínea, lo que se denomina saturación porcentual de hemoglobina. Como la sangre que sale de los pulmones y entra en las arterias sistémicas habitualmente tiene una Po2 de aproximadamente 95 mmHg, se puede ver en la curva de disociación que la saturación de oxígeno habitual de la sangre arterial sistémica es en promedio del 97%. Por el contrario, en la sangre venosa que vuelve desde los tejidos periféricos la Po, es de aproximadamente 40 mmHg, y la saturación de la hemoglobina es en promedio del 75%. Figura 40-8 Curva de disociación oxígeno-hemoglobina. 30 Cantidad máxima de oxígeno que se puede combinar con la hemoglobina de la sangre. La sangre de una persona normal contiene aproximadamente 15 g de hemoglobina por cada 100 ml de sangre, y cada gramo de hemoglobina se puede unir a un máximo de 1,34 ml de oxígeno (1,39 mi cuando la hemoglobina es químicamente pura; las impurezas, como la metahemoglobina, reducen esta cantidad). Por tanto, 15 x 1,34 es igual a 20,1, lo que significa que, en promedio, los 15 g de hemoglobina de 100 ml de sangre se pueden combinar con un total de aproximadamente 20 ml de oxígeno si la hemoglobina está saturada al 100%. Esto habitualmente se expresa como 20 volúmenes por ciento. La curva de disociación oxígeno-hemoglobina de la persona normal también se puede expresar en forma de volumen porcentual de oxígeno, como se muestra en la escala de la derecha de la figura 40-8, en lugar de la saturación porcentual de la hemoglobina. Cantidad de oxígeno que libera la hemoglobina cuando la sangre arterial sistémica fluye a través de los tejidos. La cantidad total de oxígeno unido a la hemoglobina en la sangre arterial sistémica normal, que tiene una saturación del 97%, es de aproximadamente 19,4 ml por cada 100 ml de sangre. Esto se muestra en la figura 40-9. Cuando atraviesa los capilares tisulares esta cantidad se reduce en promedio a 14,4 mi (Po2 de 40 mmHg, hemoglobina saturada en un 75%). Así, en condiciones normales se transportan aproximadamente 5 ml de oxígeno desde los pulmones a los tejidos por cada 100 ml de flujo sanguíneo. Transporte del oxígeno durante el ejercicio intenso. Durante el ejercicio intenso las células musculares utilizan oxígeno a una velocidad rápida, que en casos extremos puede hacer que la Po2 del líquido intersticial disminuya desde los 40 mmHg normales hasta un valor tan bajo como 15 mmHg. Figura 40-9 Efecto de la Po2 sanguínea sobre la cantidad de oxígeno unida a la hemoglobina por cada 100 ml de sangre. A esta baja presión sólo permanecen unidos a la hemoglobina 4,4 ml de oxígeno por cada 100 ml de sangre, como se muestra en la figura 40-9. Así, 19,4 -4,4, o 15 ml, es la cantidad de oxígeno que realmente se libera en los tejidos por cada 100 ml de flujo sanguíneo. 31 Así, se libera el triple del oxígeno normal por cada volumen de sangre que atraviesa los tejidos. Se debe tener en cuenta que el gasto cardíaco puede aumentar hasta seis a siete veces el valor normal en corredores de maratón bien entrenados. Así, la multiplicación del aumento del gasto cardíaco (seis a siete veces) por el aumento del transporte de oxígeno en cada volumen de sangre (tres veces) da lugar a un aumento de 20 veces del transporte de oxígeno hacia los tejidos. Capítulo 5 Regulación de la respiración Normalmente el sistema nervioso ajusta la velocidad de ventilación alveolar casi exactamente a las demandas del cuerpo, de modo que la presión de oxígeno (Po2) y la presión de dióxido de carbono (Peo,) en la sangre arterial apenas se alteran incluso durante el ejercicio intenso y la mayoría de los demás tipos de agresión respiratoria. Este capítulo describe la función de este sistema neurógeno para la regulación de la respiración. Centro respiratorio El centro respiratorio está formado por varios grupos de neuronas localizadas bilateralmente en el bulbo raquídeo y la protuberancia del tronco encefálico, como se muestra en la figura 41-1. Está dividido en tres grupos principales de neuronas: 1) un grupo respiratorio dorsal, localizado en la porción ventral del bulbo, que produce principalmente la inspiración; 2) un grupo respiratorio ventral, localizado en la parte ventrolateral del bulbo, que produce principalmente la espiración, y 3) el centro neumotáxico, que está localizado dorsalmente en la porción superior de la protuberancia, y que controla principalmente la frecuencia y la profundidad de la respiración. Grupo respiratorio dorsal de neuronas: control de la inspiración y del ritmo respiratorio El grupo respiratorio dorsal de neuronas tiene la función más importante en el control de la respiración y se extiende a lo largo de la mayor parte de la longitud del bulbo raquídeo. La mayor parte de sus neuronas están localizadas en el interior del núcleo del tracto solitario (NTS), aunque otras neuronas de la sustancia reticular adyacente del bulbo también tienen funciones importantes 32 en el control respiratorio. El NTS es la terminación sensitiva de los nervios vago y glosofaríngeo, que transmiten señales sensitivas hacia el centro respiratorio desde: 1) quimiorreceptores periféricos; 2) barorreceptores, y 3) diversos tipos de receptores de los pulmones. Descargas inspiratorias rítmicas desde el grupo respiratorio dorsal. El ritmo básico de la respiración se genera principalmente en el grupo respiratorio dorsal de neuronas. Incluso cuando se seccionan todos los nervios periféricos que entran en el bulbo raquídeo y se secciona el tronco encefálico tanto por encima como por debajo del bulbo, este grupo de neuronas sigue emitiendo descargas repetitivas de potenciales de acción neuronales inspiratorios. Se desconoce la causa básica de estas descargas repetitivas. En animales primitivos se han encontrado redes neurales en las que la actividad de un grupo de neuronas excita a otro grupo, que a su vez inhibe al primero. Posteriormente, después de un período de tiempo, el mecanismo se repite a sí mismo, manteniéndose durante toda la vida del animal. Por tanto, la mayor parte de los fisiólogos respiratorios piensa que en el ser humano hay alguna red similar de neuronas, localizada totalmente en el interior del bulbo; probablemente incluye no sólo el grupo respiratorio dorsal, sino también zonas adyacentes del bulbo, y es responsable del ritmo básico de la respiración. Señal de «rampa» inspiratoria. La señal nerviosa que se transmite a los músculos respiratorios, principalmente el diafragma, no es una descarga instantánea de potenciales de acción. Por el contrario, en la respiración normal comienza débilmente y aumenta de manera continua a modo de rampa durante aproximadamente 2s. Después se interrumpe de manera súbita durante aproximadamente los 3s siguientes, lo que inactiva la excitación del diafragma y permite que el retroceso elástico de los pulmones y de la pared torácica produzca la espiración. Después comienza de nuevo la señal inspiratoria para otro ciclo; este ciclo se repite una y otra vez, y la espiración se produce entre ciclos sucesivos. Así, la señal inspiratoria es una señal en rampa. La ventaja evidente de la rampa es que se genera un aumento progresivo del volumen de los pulmones durante la inspiración, en lugar de jadeos inspiratorios. Se controlan dos características de la rampa inspiratoria, como se señala a continuación: 1. Control de la velocidad de aumento de la señal en rampa, de modo que durante la respiración forzada la rampa aumenta rápidamente y, por tanto, llena rápidamente los pulmones. 2. Control del punto limitante en el que se interrumpe súbitamente la rampa. Este es el método habitual para controlar la frecuencia de la respiración; es decir, cuanto antes se interrumpa la rampa, menor será la duración de la inspiración. Esto también acorta la duración de la espiración. Así, aumenta la frecuencia de la respiración. 33 Figura 41-1 Organización del centro respiratorio. Un centro neumotáxico limita la duración de la inspiración y aumenta la frecuencia respiratoria Un centro neumotáxico, localizado dorsalmente en el núcleo parabraquial de la parte superior de la protuberancia, transmite señales hacia la zona inspiratoria. El efecto principal de este centro es controlar el punto de «desconexión» de la rampa inspiratoria, controlando de esta manera la duración de la fase de llenado del ciclo pulmonar. Cuando la señal neumotáxica es intensa, la inspiración podría durar tan sólo 0.5 s, con lo que los pulmones sólo se llenarían ligeramente; cuando la señal neumotáxica es débil la inspiración podría continuar durante 5 s o más, llenando de esta manera los pulmones con una gran cantidad de aire. La función del centro neumotáxico es principalmente limitar la inspiración. Además, tiene el efecto secundario de aumentar la frecuencia de la respiración, porque la limitación de la inspiración también acorta la espiración y todo el período de cada respiración. Una señal neumotáxica intensa puede aumentar la frecuencia respiratoria hasta 30 a 40 respiraciones por minuto, mientras que una señal neumotáxica débil puede reducir la frecuencia a solo 3 a 5 respiraciones por minuto. Grupo respiratorio ventral de neuronas: funciones en la inspiración y la espiración Localizado a ambos lados del bulbo raquídeo, aproximadamente 5m m anterior y lateral al grupo respiratorio dorsal de neuronas, está el grupo respiratorio ventral de neuronas, que se encuentra en el núcleo ambiguo rostralmente y en el núcleo retro ambiguo caudalmente. La función de este grupo neuronal difiere de la del grupo respiratorio dorsal en varios aspectos importantes: 1. Las neuronas del grupo respiratorio ventral permanecen casi totalmente inactivas durante la respiración tranquila normal. Por tanto, la respiración tranquila normal está producida sólo por señales inspiratorias repetitivas procedentes del grupo respiratorio dorsal y transmitidas principalmente al diafragma, y la espiración se debe al retroceso elástico de los pulmones y de la caja torácica. 34 2. Las neuronas respiratorias no parecen participar en la oscilación rítmica básica que controla la respiración. 3. Cuando el impulso respiratorio para aumentar la ventilación pulmonar se hace mayor de lo normal, las señales respiratorias se desbordan hacia las neuronas respiratorias ventrales desde el mecanismo oscilatorio básico de la zona respiratoria dorsal. En consecuencia, la zona respiratoria ventral contribuye también al impulso respiratorio adicional. 4. La estimulación eléctrica de algunas de las neuronas de grupo ventral produce la inspiración, mientras que la estimulación de otras produce la espiración. Por tanto, estas neuronas contribuyen tanto a la inspiración como a la espiración. Son especialmente importantes para suministrar señales espiratorias potentes a los músculos abdominales durante la espiración muy intensa. Así, esta zona actúa más o menos como mecanismo de sobre estimulación cuando son necesarios niveles altos de ventilación pulmonar, especialmente durante el ejercicio intenso. Las señales de insuflación pulmonar limitan la inspiración: el reflejo de insuflación de Hering-Breuer Además de los mecanismos de control respiratorio del sistema nervioso central que actúan totalmente en el interior del tronco encefálico, señales nerviosas sensitivas procedentes de los pulmones también contribuyen a controlar la respiración. Los receptores más importantes, que están localizados en las porciones musculares de las paredes de los bronquios y de los bronquíolos, son los receptores de distensión, que transmiten señales a través de los vagos hacia el grupo respiratorio dorsal de neuronas cuando los pulmones están sobredistendidos. Estas señales afectan a la inspiración de una manera muy similar a las señales que proceden del centro neumotáxico; es decir, cuando los pulmones se insuflan excesivamente, los receptores de distensión activan una respuesta de retroalimentación adecuada que «desconecta» la rampa inspiratoria y de esta manera interrumpe la inspiración adicional. Esto se denomina reflejo de insuflación de Hering-Breuer. Este reflejo también aumenta la frecuencia de la respiración, al igual que ocurre con las señales que proceden del centro neumotáxico. En los seres humanos el reflejo de Hering-Breuer probablemente no se activa hasta que el volumen corriente aumenta más de tres veces el valor normal (aproximadamente más de 1,5 1 por respiración). Por tanto, este reflejo parece ser principalmente un mecanismo protector para impedir una insuflación pulmonar excesiva, y no un ingrediente importante del control normal de la ventilación. Control de la actividad global del centro respiratorio Hasta este punto se han analizado los mecanismos básicos que producen la inspiración y la espiración, aunque también es importante saber cómo aumenta o disminuye la intensidad de las señales del control respiratorio para ajustarse a las necesidades ventilatorias del cuerpo. Por ejemplo, durante el ejercicio intenso con frecuencia se produce un aumento de la velocidad de utilización del oxígeno y de formación del anhídrido carbónico hasta 20 veces el valor normal, lo que precisa aumentos proporcionales de la ventilación pulmonar. El objetivo principal del resto de 35 este capítulo es analizar este control de la ventilación de acuerdo con las necesidades respiratorias del cuerpo. Control químico de la respiración El objetivo último de la respiración es mantener concentraciones adecuadas de oxígeno, dióxido de carbono e iones hidrógeno en los tejidos. Por tanto, es afortunado que la actividad respiratoria responda muy bien a las modificaciones de cada uno de estos parámetros. El exceso de dióxido de carbono o de iones hidrógeno en la sangre actúa principalmente de manera directa sobre el propio centro respiratorio, haciendo que se produzca un gran aumento de la intensidad de las señales motoras tanto inspiratorias como espiratorias hacia los músculos respiratorios. Por el contrario, el oxígeno no tiene un efecto directo significativo sobre el centro respiratorio del encéfalo en el control de la respiración. Por el contrario, actúa casi totalmente sobre los quimiorreceptores periféricos que están localizados en los cuerpos carotídeos y aórticos, y estos, a su vez, transmiten señales nerviosas adecuadas al centro respiratorio para controlar la respiración. Control químico directo de la actividad del centro respiratorio por el dióxido de carbono y los iones hidrógeno Zona quimiosensible del centro respiratorio. Se han analizado principalmente tres zonas del centro respiratorio: el grupo respiratorio dorsal de neuronas, el grupo respiratorio ventral y el centro neumotáxico. Se piensa que ninguna de estas zonas se afecta directamente por las alteraciones de la concentración sanguínea de dióxido de carbono ni por la concentración de iones hidrógeno. Por el contrario, hay otra zona neuronal, una zona quimiosensible, que se muestra en la figura 41-2, localizada bilateralmente, y que está sólo 0,2 mm por debajo de la superficie ventral del bulbo raquídeo. Esta zona es muy sensible a las modificaciones tanto de la Pco2 sanguínea como de la concentración de iones hidrógeno, y a su vez excita a las demás porciones del centro respiratorio. Es probable que la excitación de las neuronas quimiosensibles por los iones hidrógeno sea el estímulo primario Las neuronas detectoras de la zona quimiosensible son excitadas especialmente por los iones hidrógeno; de hecho, se piensa que los iones hidrógeno pueden ser el único estímulo directo importante de estas neuronas. Sin embargo, los iones hidrógeno no atraviesan fácilmente la barrera hematoencefálica. Por este motivo, las modificaciones de la concentración de iones hidrógeno en la sangre tienen un efecto considerablemente menor en la estimulación de las neuronas quimiosensibles que las modificaciones del dióxido de carbono sanguíneo, aun cuando se piensa que el dióxido de carbono estimula estas neuronas de manera secundaria modificando la concentración de iones hidrógeno, como se explica en la sección siguiente. 36 Figura 41-2 Estimulación de la zona inspiratoria del tronco encefálico por señales procedentes de la zona quimiosensible que está localizada a ambos lados del bulbo, y que está sólo una fracción de milímetro debajo de la superficie ventral del bulbo. Obsérvese también que los iones hidrógeno estimulan la zona quimiosensible, pero el dióxido de carbono del líquido da lugar a la mayor parte de los iones hidrógeno. El dióxido de carbono Aunque el dióxido de carbono tiene poco efecto directo en la estimulación de las neuronas de la zona quimiosensible, tiene un efecto indirecto potente. Consigue este efecto reaccionando con el agua de los tejidos para formar ácido carbónico, que se disocia en iones hidrógeno y bicarbonato; después, los iones hidrógeno tienen un efecto estimulador directo potente sobre la respiración. ¿Por qué el dióxido de carbono sanguíneo tiene un efecto más potente sobre la estimulación de las neuronas quimiosensibles que los iones hidrógeno sanguíneos? La respuesta es que la barrera hematoencefálica no es muy permeable a los iones hidrógeno, pero el dióxido de carbono atraviesa esta barrera casi como si no existiera. Por tanto, siempre que aumente la Pco2 sanguínea, también lo hace la Pco2 del líquido intersticial del bulbo y del líquido cefalorraquídeo. En estos dos líquidos el dióxido de carbono reacciona inmediatamente con el agua para formar nuevos iones hidrógeno. Así, paradójicamente, se liberan más iones hidrógeno hacia la zona sensitiva quimiosensible respiratoria del bulbo raquídeo cuando aumenta la concentración de dióxido de carbono sanguíneo que cuando aumenta la concentración sanguínea de iones hidrógeno. Por este motivo, la actividad del centro respiratorio aumenta de manera muy intensa por las modificaciones del dióxido de carbono sanguíneo, un hecho que se analizará cuantitativamente más adelante. estimula la zona quimiosensible Disminución del efecto estimulador del dióxido de carbono después de los primeros 1 a 2 días. La excitación del centro respiratorio por el dióxido de carbono es intensa en las primeras horas después de la primera elevación del dióxido de carbono sanguíneo, aunque después disminuye gradualmente a lo largo de los 1 a 2 días siguientes, disminuyendo hasta aproximadamente 1/5 del efecto inicial. Parte de esta disminución se debe al reajuste renal de la concentración de iones hidrógeno en la sangre circulante de nuevo hacia niveles normales después de que el dióxido de carbono haya aumentado por primera vez la concentración de iones hidrógeno. 37 Los riñones lo consiguen aumentando el bicarbonato sanguíneo, que se une a los iones hidrógeno de la sangre y del líquido cefalorraquídeo para reducir sus concentraciones. Pero todavía es más importante que a lo largo de un período de horas los iones bicarbonato también difunden lentamente a través de las barreras hematoencefálica y sangre-líquido cefalorraquídeo y también se combinan directamente con los iones hidrógeno adyacentes a las neuronas respiratorias, reduciendo de esta manera los iones hidrógeno de nuevo hacia concentraciones casi normales. Por tanto, una modificación de la concentración sanguínea de dióxido de carbono tiene un efecto agudo potente en el control del impulso respiratorio, aunque sólo un efecto crónico débil después de una adaptación de varios días. Efectos cuantitativos de la Pco2 sanguínea y de la concentración de iones hidrógeno sobre la ventilación alveolar La figura 41-3 muestra cuantitativamente los efectos aproximados de la Pco2, sanguínea y del pH sanguíneo (que es una medición logarítmica inversa de la concentración de iones hidrógeno) sobre la ventilación alveolar. Obsérvese especialmente el aumento muy marcado de la ventilación que produce un aumento de la Pco2, en el intervalo normal entre 35 y 75 mmHg. Esto demuestra el gran efecto que tienen las modificaciones del dióxido de carbono en el control de la respiración. Por el contrario, la magnitud del efecto de la modificación de la respiración en el intervalo normal de pH sanguíneo entre 7,3 y 7,5 es menor de 1/10 parte. Figura 41-3 Efecto del aumento de la Pco2 sanguínea y de la disminución del pH arterial (aumento de la concentración de iones hidrógeno) sobre la ventilación alveolar. Los cambios en el oxígeno tienen un efecto directo pequeño en el control del centro respiratorio Las modificaciones de la concentración de oxígeno no tienen prácticamente ningún efecto directo sobre el propio centro respiratorio para alterar el impulso respiratorio (aunque las modificaciones 38 del oxígeno sí tienen un efecto indirecto, actuando a través de los quimiorreceptores periféricos, como se explica en la sección siguiente). El sistema amortiguador hemoglobina-oxígeno libera cantidades casi exactamente normales de oxígeno a los tejidos aun cuando la Po2 pulmonar varíe desde un valor tan bajo como 60 mmHg hasta un valor tan alto como 1.000 mmHg. Por tanto, excepto en situaciones especiales, se puede producir una liberación adecuada de oxígeno a pesar de modificaciones de la ventilación pulmonar que varían desde un valor ligeramente menor a la mitad de lo normal hasta un valor tan alto como 20 o más veces el valor normal. Esto no es así en el caso del dióxido de carbono, porque la Pco2, tanto sanguínea como tisular se modifica de manera inversa a la tasa de la ventilación pulmonar; así, los procesos de evolución animal han hecho que el dióxido de carbono sea el principal factor que controla la respiración, no el oxígeno. Sin embargo, en esas situaciones especiales en las que los tejidos tienen problemas por la ausencia de oxígeno, el cuerpo tiene un mecanismo especial para el control respiratorio localizado en los quimiorreceptores periféricos que están fuera del centro respiratorio del encéfalo; este mecanismo responde cuando el oxígeno sanguíneo disminuye demasiado, principalmente por debajo de una Po2 de 70 mmHg, como se explica en la sección siguiente. Sistema de quimiorreceptores periféricos para controlar la actividad respiratoria: función del oxígeno en el control respiratorio Además del control de la actividad respiratoria por el propio centro respiratorio, se dispone de otro mecanismo para controlar la respiración. Es el sistema de quimiorreceptores periféricos, que se muestra en la figura 41-4. Hay receptores químicos nerviosos especiales, denominados quimiorreceptores, en varias zonas fuera del encéfalo. Son especialmente importantes para detectar modificaciones del oxígeno de la sangre, aunque también responden en menor grado a modificaciones de las concentraciones de dióxido de carbono y de iones hidrógeno. Los quimiorreceptores transmiten señales nerviosas al centro respiratorio del encéfalo para contribuir a la regulación de la actividad respiratoria. La mayor parte de los quimiorreceptores está en los cuerpos carotídeos. Sin embargo, también hay algunos en los cuerpos aórticos, que se muestran en la parte inferior de la figura 41-4, y hay muy pocos en otras localizaciones asociados a otras arterias de las regiones torácica y abdominal. 39 Figura 41-4 Control respiratorio por los quimiorreceptores periféricos de los cuerpos carotideos y aórticos. Los cuerpos carotídeos están localizados bilateralmente en las bifurcaciones de las arterias carótidas comunes. Sus fibras aferentes pasan a través de los nervios de Hering hacia los nervios glosofaríngeos y posteriormente a la zona respiratoria dorsal del bulbo raquídeo. Los cuerpos aórticos están localizados a lo largo del cayado de la aorta; sus fibras nerviosas aferentes pasan a través de los vagos, y también a la zona respiratoria bulbar dorsal. Cada uno de los cuerpos quimiorreceptores recibe su propia vascularización especial a través de una arteria diminuta que se origina directamente en el tronco arterial adyacente. Además, el flujo sanguíneo a través de estos cuerpos es muy elevado, de 20 veces el peso de los propios cuerpos cada minuto. Por tanto, el porcentaje de oxígeno que se extrae de la sangre que fluye es prácticamente cero. Esto significa que los quimiorreceptores están expuestos en todo momento a sangre arterial, no a sangre venosa, y sus Po2 son las Po2 arteriales. La disminución del oxígeno arterial estimula a los quimiorreceptores. Cuando la concentración de oxígeno en la sangre arterial disminuye por debajo de lo normal se produce una intensa estimulación de los quimiorreceptores. Esto se muestra en la figura 41-5, que muestra el efecto de diferentes concentraciones de Po2 arterial sobre la frecuencia de transmisión de los impulsos nerviosos desde un cuerpo carotídeo. Obsérvese que la frecuencia de los impulsos es particularmente sensible a las modificaciones de la Po2 arterial en el intervalo de 60 a 30 mmHg, un intervalo en el que la saturación de la hemoglobina con oxígeno disminuye rápidamente. 40 Figura 41-5 Efecto de la Po2 arterial sobre la frecuencia de los impulsos procedentes del cuerpo carotídeo. El aumento de la concentración de dióxido de carbono e iones hidrógeno estimula a los quimiorreceptores. Un aumento tanto de la concentración de dióxido de carbono como de la concentración de iones hidrógeno también excita los quimiorreceptores y de esta manera aumenta indirectamente la actividad respiratoria. Sin embargo, los efectos directos de estos dos factores sobre el propio centro respiratorio son mucho más potentes que los efectos mediados a través de los quimiorreceptores (aproximadamente siete veces más potentes). Sin embargo, hay una diferencia entre los efectos periféricos y centrales del dióxido de carbono: la estimulación a través de los quimiorreceptores periféricos se produce con una rapidez hasta cinco veces mayor que la estimulación central, de modo que los quimiorreceptores periféricos podrían ser especialmente importantes en el aumento de la rapidez de la respuesta al dióxido de carbono al comienzo del ejercicio. Mecanismo básico de estimulación de los quimiorreceptores por la deficiencia de oxígeno. Todavía se desconoce el mecanismo exacto por el que una Po2 baja excita las terminaciones nerviosas de los cuerpos carotídeos y aórticos. Sin embargo, estos cuerpos tienen muchas células muy características de aspecto glandular, denominadas células glómicas, que establecen sinapsis directa o indirectamente con las terminaciones nerviosas. Algunos investigadores han propuesto que estas células glómicas podrían actuar como quimiorreceptores y después estimularían las terminaciones nerviosas, aunque otros estudios indican que las propias terminaciones nerviosas son sensibles directamente a una Po2 baja. 41 Capítulo 6 Organización del sistema nervioso, funciones básicas de las sinapsis y neurotransmisores El sistema nervioso carece de parangón en cuanto a la enorme complejidad de los procesos de pensamiento y acciones de control que es capaz de realizar. Cada minuto son literalmente millones los fragmentos de información que recibe procedentes de los distintos nervios y órganos sensitivos y a continuación integra todo este cúmulo para generar las respuestas que vaya a emitir el organismo. Antes de comenzar este análisis del sistema nervioso. Diseño general del sistema nervioso La neurona: unidad funcional básica del sistema nervioso central El sistema nervioso central contiene; más de 100.000 millones de neuronas. Las señales de entrada llegan a ella a través de las sinapsis situadas fundamentalmente en las dendritas neuronales, pero también en el soma celular. Según los diversos tipos de neuronas, las conexiones sinápticas procedentes de las fibras aferentes pueden ser tan sólo unos cientos o llegar hasta 200.000. Por el contrario, la señal de salida viaja por el único axón que abandona la neurona. A continuación, este axón da origen a numerosas ramas independientes que se dirigen hacia otras zonas del sistema nervioso o de la periferia corporal. Un rasgo especial de la mayoría de las sinapsis consiste en que normalmente la señal sólo circula en sentido anterógrado (desde el axón de una neurona precedente hasta las dendritas en la membrana celular de las neuronas ulteriores). Esto obliga a la señal a viajar en la dirección exigida para llevar a cabo las funciones nerviosas específicas. Porción sensitiva del sistema nervioso: receptores sensitivos La mayor parte de las actividades del sistema nervioso se ponen en marcha cuando las experiencias sensitivas excitan los receptores sensitivos, ya sean de carácter visual en los ojos, auditivo en los oídos, táctil en la superficie del organismo o de otros tipos. Estas experiencias sensitivas pueden desencadenar reacciones inmediatas del encéfalo, o almacenarse su recuerdo durante minutos, semanas o años y determinar reacciones corporales en algún momento futuro. La figura 45-2 muestra la porción somática del sistema sensitivo, que transmite información sensitiva desde los receptores repartidos por la superficie de todo el cuerpo y desde algunas estructuras profundas. Esta información penetra al sistema nervioso central a través de los nervios periféricos y se transporta de inmediato hasta múltiples zonas sensitivas en: 1) la médula espinal a 42 todos sus niveles; 2) la formación reticular del bulbo raquídeo, la protuberancia y el mesencéfalo en el encéfalo; 3) el cerebelo; 4) el tálamo, y 5) áreas de la corteza cerebral. A fin de cuentas, la misión más importante del sistema nervioso consiste en regular las diversas actividades del organismo. Para desempeñarla, debe controlar los siguientes aspectos: 1) la contracción de los músculos esqueléticos adecuados en todo el cuerpo; 2) la contracción de la musculatura lisa de las vísceras, y 3) la secreción de sustancias químicas activas por parte de las glándulas exocrinas y endocrinas en muchas zonas del organismo. En conjunto, estas actividades se denominan funciones motoras del sistema nervioso y los músculos y las glándulas reciben el nombre de efectores porque representan las estructuras anatómicas reales que ejecutan las funciones dictadas por las señales nerviosas. La figura 45-3 muestra el eje nervioso motor «esquelético» del sistema nervioso cuya actividad está dedicada a controlar la contracción de la musculatura esquelética. Un segundo elemento, llamado sistema nervioso autónomo, opera de forma paralela a su acción, estando encargado de controlar la musculatura lisa, las glándulas y otros sistemas corporales internos. Obsérvese en la figura 45-3 que los músculos esqueléticos pueden controlarse a múltiples niveles del sistema nervioso central, como, por ejemplo: 1) la médula espinal; 2) la formación reticular del bulbo raquídeo, la protuberancia y el mesencéfalo; 3) los ganglios basales; 4) el cerebelo, y 5) la corteza motora. Cada una de estas regiones cumple su propia función específica; las más inferiores se ocupan básicamente de las respuestas musculares instantáneas y automáticas a los estímulos sensitivos, mientras que las superiores lo hacen de los movimientos musculares complejos e intencionales sometidos al control de los procesos cerebrales de pensamiento. Figura 45-1 Estructura de una neurona grande perteneciente al encéfalo, con sus porciones funcionales más importantes. (Reproducido a partir de Guyton AC: Basic Neuroscience: Anatomy and Physiology. Philadelphia: WB Saunders Co, 43 1987.) Procesamiento de la información: función «integradora» del sistema nervioso Una de las funciones más importantes del sistema nervioso consiste en elaborar la información que le llega de tal modo que dé lugar a las respuestas motoras y mentales adecuadas. El encéfalo descarta más del 99% de toda la información sensitiva que recibe por carecer de interés o de importancia. Por ejemplo, corrientemente uno no tiene conciencia de las diversas porciones de su cuerpo que están en contacto con la ropa, ni tampoco de la presión originada por el asiento sobre el que descansa. En este mismo sentido, sólo llama la atención un objeto que ocupe el campo visual esporádicamente, e incluso los eternos sonidos de nuestro entorno suelen quedar relegados al inconsciente. Pero cuando una información sensitiva importante excita la mente, de inmediato resulta encauzada hacia las regiones motoras e integradoras oportunas del encéfalo para suscitar las respuestas deseadas. Esta (canalización y tratamiento de la información se denomina función integradora del sistema nervioso. Así, si una persona pone la mano sobre una estufa caliente, la respuesta instantánea pretendida consiste en levantarla. Y esto deja paso a otras respuestas asociadas, como aparrar todo el cuerpo de la estufa y a veces incluso gritar de dolor. Figura 45-2 Eje somatosensitivo del sistema nervioso. 44 Figura 45-3 Eje nervioso motor esquelético del sistema nervioso. Cometido de las sinapsis en el procesamiento de la información. La sinapsis es el punto de unión de una neurona con la siguiente. Sin embargo, es importante advertir ya que las sinapsis determinan las direcciones de propagación que toma cualquier señal por el sistema nervioso. En algunas la transmisión de una neurona a la siguiente no plantea problemas, mientras que en otras se plantean dificultades. Asimismo, las señales facilitadoras e inhibidoras procedentes de otras regiones del sistema nervioso tienen la capacidad de controlar la transmisión sináptica, a veces abriendo las sinapsis para efectuar la comunicación y en otras ocasiones cerrándolas. Además, algunas neuronas postsinápticas responden con un amplio número de impulsos de salida y otras lo hacen sólo con unos pocos. Por tanto, las sinapsis efectúan una acción selectiva; muchas veces bloquean las señales débiles a la vez que dejan pasar las más potentes, pero en otras circunstancias seleccionan y amplifican ciertas señales débiles, y con frecuencia las encarrilan en muchas direcciones en vez de en una sola. Almacenamiento de la información: memoria Normalmente es sólo una pequeña fracción de la información sensitiva más importante la que provoca una respuesta motora inmediata. En cambio, una gran parte del resto se guarda para controlar las actividades motoras en el futuro y para su utilización en los procesos de reflexión. La mayor parte del almacenamiento tiene lugar en la corteza cerebral, pero hasta las regiones basales del encéfalo y la médula espinal pueden conservar pequeñas cantidades de información. La acumulación de la información es el proceso que llamamos memoria, y también constituye una función de las sinapsis. Cada vez que determinados tipos de señales sensitivas atraviesan una secuencia de sinapsis, estas adquieren una mayor capacidad para transmitir ese mismo tipo de 45 señal la próxima vez, situación que llamamos facilitación. Después de que las señales sensitivas hayan recorrido las sinapsis un gran número de ocasiones, su facilitación es tan profunda que las señales generadas dentro del propio encéfalo también pueden originar la transmisión de impulsos a lo largo de la misma serie de sinapsis, incluso cuando no haya sido estimulada su entrada sensitiva. Esto otorga a la persona una percepción de estar experimentando sensaciones originales, aunque únicamente se trate de recuerdos de las mismas. Los mecanismos exactos por los que sucede la facilitación a largo plazo de las sinapsis en el proceso de la memoria. Una vez que los recuerdos están guardados en el sistema nervioso, pasan a\formar parte de los mecanismos de procesamiento cerebral para el «pensamiento» en el futuro. Es decir, los procedimientos de deliberación del encéfalo comparan las experiencias sensitivas nuevas con los recuerdos acumulados; a continuación, estos últimos sirven para seleccionar la información sensitiva nueva que resulte más importante y encauzarla hacia las regiones correspondientes para el almacenamiento de la memoria a fin de permitir su uso en el futuro o hacia las regiones motoras para dar lugar a las respuestas corporales inmediatas. Principales niveles de función del sistema nervioso central El sistema nervioso humano ha heredado unas capacidades funcionales especiales correspondientes a cada etapa recorrida por el desarrollo evolutivo del hombre. A partir de este bagaje, los principales niveles del sistema nervioso central que presentan unas características funcionales específicas son tres: 1) el nivel medular; 2) el nivel encefálico inferior o subcortical, y 3) el nivel encefálico superior o cortical. Nivel medular Muchas veces concebimos la médula espinal como un mero conducto para transmitir las señales que viajan desde la periferia del cuerpo hasta el encéfalo, o en sentido opuesto de vuelta desde el encéfalo hasta el cuerpo. Esto dista mucho de la verdad. Incluso después de haber seccionado la médula espinal en la región cervical alta, seguirán ocurriendo muchas funciones medulares dotadas de una gran organización. Por ejemplo, los circuitos neuronales de la médula pueden originar: 1) los movimientos de la marcha; 2) reflejos para retirar una parte del organismo de los objetos dolorosos; 3) reflejos para poner rígidas las piernas para sostener el tronco en contra de la gravedad, y 4) reflejos que controlan los vasos sanguíneos locales, los movimientos digestivos o la excreción urinaria. En realidad, los niveles superiores del sistema nervioso no suelen operar enviando señales directamente hacia la periferia del cuerpo sino hacia los centros de control en la médula, simplemente «ordenando» que estos centros ejecuten sus funciones. Nivel encefálico inferior o subcortical Gran parte, si no la mayoría, de lo que llamamos actividades inconscientes del organismo están controladas por las regiones inferiores del encéfalo, el bulbo raquídeo, la protuberancia, el mesencéfalo, el hipotálamo, el tálamo, el cerebelo y los ganglios basales. Por ejemplo, la regulación de la presión arterial y la respiración se lleva a cabo básicamente en el bulbo raquídeo y la protuberancia sin intervención de la conciencia. El control del equilibrio constituye una 46 función combinada entre las porciones más antiguas del cerebelo y la formación reticular del bulbo raquídeo, la protuberancia y el mesencéfalo. Los reflejos de la alimentación, como la salivación y el humedecimiento de los labios en respuesta al sabor de la comida, están regulados por regiones del bulbo raquídeo, la protuberancia, el mesencéfalo, la amígdala y el hipotálamo. Numerosos patrones emocionales, como la ira, la excitación, las respuestas sexuales, las reacciones al dolor y al placer, aún pueden darse una vez destruida gran parte de la corteza cerebral. Nivel encefálico superior o cortical Tras la explicación precedente sobre las numerosas funciones del sistema nervioso que acontecen en los niveles medular y encefálico inferior, uno puede preguntarse: ¿qué le queda por hacer a la corteza cerebral? La respuesta a esta cuestión resulta complicada, pero hay que buscar su punto de partida en el hecho de que esta estructura es un enorme almacén de recuerdos. La corteza jamás funciona en solitario, sino que siempre lo hace asociada a los centros inferiores del sistema nervioso. Sin su concurso, el funcionamiento de los centros encefálicos inferiores a menudo es impreciso. El inmenso depósito de información cortical suele convertir estas funciones en operaciones determinativas y precisas. Finalmente, la corteza cerebral resulta fundamental para la mayor parte de los procesos de nuestro pensamiento, pero no puede funcionar por su cuenta. En realidad, son los centros encefálicos inferiores, y no la corteza, los que despiertan en ella la vigilia, abriendo así su banco de recuerdos a la maquinaria cerebral del razonamiento. Por tanto, cada porción del sistema nervioso cumple unas funciones específicas. Pero es la corteza la que destapa todo un mundo de información almacenada para su uso por la mente. Comparación del sistema nervioso con un ordenador Cuando comenzaron a crearse los ordenadores, pronto quedó patente que estas máquinas presentan muchos rasgos en común con el sistema nervioso. En primer lugar, todos poseen circuitos de entrada comparables a la porción sensitiva del sistema nervioso y circuitos de salida comparables a su porción motora. En los ordenadores más sencillos, las señales de sali

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