El sistema respiratorio: estructura y funcionamiento

El sistema respiratorio humano consta del tracto respiratorio (superior e inferior) y los pulmones. El sistema respiratorio es responsable del intercambio de gases entre el organismo y el medio ambiente. ¿Cómo se construye el sistema respiratorio y cómo funciona?

Se supone que el sistema respiratorio humano permite la respiración, el proceso de intercambio de gases, a saber, oxígeno y dióxido de carbono, entre el organismo y el medio ambiente. Cada célula de nuestro cuerpo necesita oxígeno para funcionar correctamente y generar energía. El proceso respiratorio se divide en:

• Respiración externa: suministro de oxígeno a las células.
• respiración interna - intracelular

La respiración externa se produce debido a la sincronización del sistema respiratorio con los centros nerviosos y se divide en una serie de procesos:

• ventilación pulmonar
• difusión de gas entre el aire alveolar y la sangre
• transporte de gases a través de la sangre
• difusión de gas entre la sangre y las células

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Estructura del sistema respiratorio

El tracto respiratorio consta de:

• el tracto respiratorio superior, es decir, la cavidad nasal (nuestro cavum) y garganta (faringe)
• tracto respiratorio inferior: laringe (laringe), tráquea (tráquea), bronquio (bronquios) - derecha e izquierda, que se dividen en ramas más pequeñas, y las más pequeñas se convierten en bronquiolos (bronquiolos)

La parte final de las vías respiratorias conduce a los alvéolos (alvéolos pulmonales). El aire inhalado que pasa a través del tracto respiratorio se limpia de polvo, bacterias y otras pequeñas impurezas, se humedece y se calienta. Por otro lado, la estructura de los bronquios, a través de la combinación de cartílago, elementos elásticos y músculos lisos, permite ajustar su diámetro. La garganta es donde se cruzan los sistemas respiratorio y digestivo. Por esta razón, al tragar, la respiración se detiene y la vía aérea se cierra a través de la epiglotis.

• pulmones: órganos emparejados ubicados en el pecho.

En términos anatómicos y funcionales, los pulmones se dividen en lóbulos (el pulmón izquierdo en dos lóbulos y el derecho en tres), los lóbulos se dividen en segmentos, los segmentos en lóbulos y los lóbulos en grupos.

Cada pulmón está rodeado por dos capas de tejido conectivo: la pleura parietal (pleura parietalis) y pleura pulmonar (pleura pulmonar). Entre ellos está la cavidad pleural (cavum pleurae), y el líquido que contiene permite la adhesión del pulmón cubierto con la pleura pulmonar a la pleura parietal fusionada con la pared interna del tórax.En el lugar donde los bronquios ingresan a los pulmones, hay cavidades pulmonares, en las que, además de los bronquios, también hay arterias y venas pulmonares.
Además, los músculos estriados esqueléticos, la sangre y el sistema cardiovascular y los centros nerviosos están involucrados en el complicado proceso de la respiración.

Ventilación pulmonar

La esencia de la ventilación es llevar aire atmosférico a los alvéolos. Dado que el aire siempre fluye de una presión más alta a una presión más baja, los grupos de músculos apropiados participan en cada inhalación y exhalación, lo que permite los movimientos de succión y presión del pecho.

Al final de la exhalación, la presión en los alvéolos es igual a la presión atmosférica, pero a medida que aspira aire, el diafragma se contrae (diafragma) y músculos intercostales externos (musculi intercostales externi), gracias a lo cual el volumen del pecho aumenta y crea un vacío que aspira aire.

Cuando aumenta la demanda de ventilación, se activan músculos inspiratorios adicionales: los músculos esternocleidomastoideos (esternocleidomastoidei musculi), Musculos pectorales (musculi pectorales minores), músculos dentados anteriores (musculi serrati anteriores), músculos trapecios (trapecio musculi), los músculos elevadores de la escápula (musculi levatores scapulae), músculos de paralelogramo mayor y menor (musculi rhomboidei maiores et minores) y músculos oblicuos (musculi fusionados).

El siguiente paso es exhalar. Comienza cuando los músculos inspiratorios se relajan en el pico de la inhalación. Por lo general, este es un proceso pasivo, ya que las fuerzas generadas por los elementos elásticos estirados en el tejido pulmonar son suficientes para que el tórax disminuya de volumen. La presión en los alvéolos se eleva por encima de la presión atmosférica y la diferencia de presión resultante elimina el aire hacia el exterior.

La situación es ligeramente diferente cuando se exhala con fuerza. Lo tratamos cuando el ritmo respiratorio es lento, cuando la exhalación requiere superar el aumento de la resistencia respiratoria, por ejemplo, en algunas enfermedades pulmonares, pero también en la actividad fonatoria, especialmente al cantar o tocar instrumentos de viento. Se estimulan las motoneuronas de los músculos espiratorios, que incluyen: músculos intercostales internos (musculi intercostales interni) y los músculos de la pared abdominal anterior, especialmente los rectos abdominales (musculi recti abdominis).

La frecuencia respiratoria

La frecuencia respiratoria es muy variable y depende de muchos factores diferentes. Un adulto en reposo debe respirar de 7 a 20 veces por minuto. Los factores que conducen a un aumento en la frecuencia respiratoria, técnicamente conocido como taquipnea, incluyen ejercicio, afecciones pulmonares y dificultad respiratoria extrapulmonar. Por otro lado, la bradipnea, es decir, una disminución significativa en el número de respiraciones, puede resultar de enfermedades neurológicas o efectos secundarios centrales de los estupefacientes. Los niños se diferencian de los adultos en este aspecto: cuanto más pequeño es el niño, mayor es la frecuencia respiratoria fisiológica.

Volúmenes y capacidades pulmonares

• TLC (capacidad pulmonar total): el volumen que hay en el pulmón después de la respiración más profunda
• IC - capacidad inspiratoria - empujada hacia los pulmones durante la inhalación más profunda después de una exhalación tranquila
• IRV (volumen de reserva inspiratoria) - volumen de reserva inspiratoria - tirado hacia los pulmones durante la inhalación máxima realizada en la parte superior de la inspiración libre
• TV (volumen corriente) - volumen corriente - inhalado y exhalado mientras inhala y exhala libremente
• FRC - capacidad residual funcional - permanece en los pulmones después de una exhalación lenta
• ERV (volumen de reserva espiratorio) - volumen de reserva espiratorio - extraído de los pulmones durante la exhalación máxima después de la inhalación libre
• RV (volumen residual) - el volumen residual - permanece en los pulmones siempre durante la exhalación máxima
• VC (capacidad vital) - capacidad vital - extraída de los pulmones después de la inspiración máxima a la espiración máxima
• IVC (capacidad vital inspiratoria) - capacidad vital inhalada - empujada hacia los pulmones después de la exhalación más profunda a la inhalación máxima; puede ser ligeramente más alto que VC porque en la exhalación máxima seguida de la inhalación máxima, los conductores alveolares se cierran antes de que se elimine el aire que llena las burbujas

Con inspiración libre, el volumen corriente es de 500 ml. Sin embargo, no todo este volumen llega a los alvéolos. Aproximadamente 150 ml llenan el tracto respiratorio, que no tiene las condiciones para el intercambio de gases entre el aire y la sangre, es decir, la cavidad nasal, faringe, laringe, tráquea, bronquios y bronquiolos. Se llama espacio muerto respiratorio anatómico. Los 350 mL restantes se mezclan con aire que constituye la capacidad funcional residual, simultáneamente se calienta y se satura con vapor de agua. En los alvéolos, nuevamente, no todo el aire es gaseoso. En los capilares de las paredes de algunos de los folículos, no fluye sangre o hay muy poca sangre para utilizar todo el aire para el intercambio de gases. Este es el espacio muerto respiratorio fisiológico y es pequeño en personas sanas. Desafortunadamente, puede aumentar significativamente en estados patológicos.

La frecuencia respiratoria promedio en reposo es de 16 por minuto y el volumen corriente es de 500 mL, multiplicando estos dos valores, obtenemos ventilación pulmonar. De esto se deduce que se inhalan y exhalan unos 8 litros de aire por minuto. Durante las respiraciones rápidas y profundas, el valor puede aumentar significativamente, incluso de una docena a veinte veces.

Todos estos complicados parámetros: se introdujeron capacidades y volúmenes no solo para confundirnos, sino que tienen una importante aplicación en el diagnóstico de enfermedades pulmonares. Hay una prueba - espirometría que mide: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV e IRV. Es fundamental para el diagnóstico y seguimiento de enfermedades como el asma y la EPOC.

Difusión de gas entre el aire alveolar y la sangre

Los alvéolos son la estructura básica que forma los pulmones. Hay alrededor de 300-500 millones de ellos, cada uno con un diámetro de 0,15 a 0,6 mm, y su área total varía de 50 a 90 m².

Las paredes de los folículos están formadas por un epitelio delgado, plano y de una sola capa. Además de las células que forman el epitelio, los folículos contienen otros dos tipos de células: macrófagos (células intestinales) y también células foliculares de tipo II que producen el tensioactivo. Es una mezcla de proteínas, fosfolípidos y carbohidratos producida a partir de los ácidos grasos de la sangre. El surfactante, al reducir la tensión superficial, evita que los alvéolos se peguen y reduce las fuerzas necesarias para estirar los pulmones. Desde el exterior, las burbujas están cubiertas por una red de capilares. Los capilares que ingresan a los alvéolos transportan sangre rica en dióxido de carbono, agua, pero con una pequeña cantidad de oxígeno. Por el contrario, en el aire alveolar, la presión parcial de oxígeno es alta y la de dióxido de carbono es baja. La difusión de gas sigue un gradiente de presión de partículas de gas, por lo que los eritrocitos capilares atrapan el oxígeno del aire y eliminan el dióxido de carbono. Las partículas de gas deben atravesar la pared alveolar y la pared capilar, y más precisamente a través de: la capa de líquido que cubre la superficie alveolar, el epitelio alveolar, la membrana basal y el endotelio capilar.

Transporte de gases a través de la sangre.

• transporte de oxigeno

Primero, el oxígeno se disuelve físicamente en el plasma, pero luego se difunde a través de la envoltura hacia los glóbulos rojos, donde se une a la hemoglobina para formar oxihemoglobina (hemoglobina oxigenada). La hemoglobina juega un papel muy importante en el transporte de oxígeno, ya que cada una de sus moléculas se combina con 4 moléculas de oxígeno, aumentando así la capacidad de la sangre para transportar oxígeno hasta 70 veces. La cantidad de oxígeno transportado disuelto en el plasma es tan pequeña que es irrelevante para la respiración. Gracias al sistema circulatorio, la sangre saturada de oxígeno llega a todas las células del cuerpo.

• transporte de dióxido de carbono

El dióxido de carbono de los tejidos ingresa a los capilares y se transporta a los pulmones:

• aprox.6% disuelto físicamente en plasma y en el citoplasma de los eritrocitos
• aprox.6% unido a grupos amino libres de proteínas plasmáticas y hemoglobina (como carbamatos)
• la mayoría, es decir, aproximadamente el 88%, como iones HCO3, unidos por el sistema tampón de bicarbonato del plasma y los eritrocitos

Difusión de gases entre la sangre y las células.

Una vez más, las moléculas de gas en los tejidos pasan a lo largo del gradiente de presión: el oxígeno liberado de la hemoglobina se difunde a los tejidos, mientras que el dióxido de carbono se difunde en la dirección opuesta, de las células al plasma. Debido a las diferencias en la demanda de oxígeno de los diferentes tejidos, también existen diferencias en la tensión de oxígeno. En tejidos con metabolismo intensivo, la tensión de oxígeno es baja, por lo que consumen más oxígeno, mientras que la sangre venosa que drena contiene menos oxígeno y más dióxido de carbono. La diferencia arteriovenosa en el contenido de oxígeno es un parámetro que determina el grado de consumo de oxígeno por los tejidos. Cada tejido recibe sangre arterial con el mismo contenido de oxígeno, mientras que la sangre venosa puede contener más o menos.

Respiración interna

La respiración a nivel celular es un proceso bioquímico de múltiples etapas que implica la oxidación de compuestos orgánicos en los que se produce energía biológicamente útil. Es un proceso fundamental que ocurre incluso cuando se detienen otros procesos metabólicos (los procesos alternativos anaeróbicos son ineficientes y de importancia limitada).

El papel clave lo desempeñan las mitocondrias, los orgánulos celulares, que reciben moléculas de oxígeno que se difunden dentro de la célula. En la membrana externa de las mitocondrias se encuentran todas las enzimas del ciclo de Krebs (o el ciclo de los ácidos tricarboxílicos), mientras que en la membrana interna se encuentran las enzimas de la cadena respiratoria.

En el ciclo de Krebs, los metabolitos de azúcares, proteínas y grasas se oxidan a dióxido de carbono y agua con la liberación de átomos de hidrógeno libres o electrones libres. Más adelante en la cadena respiratoria, la última etapa de la respiración intracelular, al transferir electrones y protones a portadores sucesivos, se sintetizan compuestos de fósforo de alta energía. El más importante de ellos es el ATP, es decir, el adenosina-5′-trifosfato, un portador universal de energía química que se utiliza en el metabolismo celular. Es consumido por numerosas enzimas en procesos como la biosíntesis, el movimiento y la división celular. El procesamiento de ATP en los organismos vivos es continuo y se estima que cada día el hombre convierte la cantidad de ATP comparable a su peso corporal.

Regulación respiratoria

En el núcleo extendido hay un centro de respiración que regula la frecuencia y profundidad de la respiración. Consta de dos centros con funciones opuestas, construidos por dos tipos de neuronas. Ambos se encuentran dentro de la formación reticular. En el núcleo solitario y en la parte anterior del nervio vago ambiguo posterior se encuentra el centro inspiratorio, que envía impulsos nerviosos a la médula espinal, a las neuronas motoras de los músculos inspiratorios. Por el contrario, en el núcleo ambiguo del nervio vago y en la parte posterior del nervio vago ambiguo posterior, se encuentra el centro de exhalación, que estimula las neuronas motoras de los músculos espiratorios.

Las neuronas del centro de inspiración envían una ráfaga de impulsos nerviosos varias veces por minuto, que recorren la rama que desciende a las motoneuronas en la médula espinal y al mismo tiempo que la rama axónica asciende a las neuronas de la formación reticular del puente. Hay un centro neumotáxico que inhibe el centro inspiratorio durante 1-2 segundos y luego estimula de nuevo el centro inspiratorio. Gracias a sucesivos periodos de estimulación e inhibición del centro inspiratorio, se asegura la ritmicidad de las respiraciones.
El centro inspiratorio está regulado por impulsos nerviosos que surgen en:

• quimiorreceptores de glomérulos cervicales y aórticos, que responden a un aumento en la concentración de dióxido de carbono, concentración de iones de hidrógeno o una disminución significativa en la concentración de oxígeno arterial; los impulsos de los grupos aórticos viajan a través de los nervios glosofaríngeo y vago. y el efecto es acelerar y profundizar las inhalaciones
• interoreceptores de tejido pulmonar y propioreceptores torácicos;
• hay mecanorreceptores de inflación entre los músculos lisos bronquiales, son estimulados por el estiramiento del tejido pulmonar, lo que desencadena la exhalación; luego, al reducir el estiramiento del tejido pulmonar durante la exhalación, se activan otros mecanorreceptores, esta vez deflacionarios, que disparan la inspiración; Este fenómeno se llama reflejos de Hering-Breuer;
• La posición inspiratoria o espiratoria del tórax irrita los respectivos proprioreceptores y modifica la frecuencia y profundidad de las respiraciones: cuanto más profunda es la inhalación, más profunda es la exhalación que la sigue;
• centros de los niveles superiores del cerebro: la corteza cerebral, el sistema límbico, el centro de termorregulación en el hipotálamo