Bioquimica de la Respiracion PDF

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El sistema respiratorio se divide en una zona respiratoria, que es el sitio de intercambio de gases entre el aire y la sangre, y una zona de conducción. El intercambio de gases entre el aire y la sangre ocurre a través de las paredes de los alveolos respiratorios, que permiten índices rápidos de dif...

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Resumen: Respiración

Respiración El sistema respiratorio se divide en una zona respiratoria, que es el sitio de intercambio de gases entre el aire y la sangre, y una zona de conducción. El intercambio de gases entre el aire y la sangre ocurre a través de las paredes de los alveolos respiratorios, que permiten índices rápidos de difusión de gas. El término respiración incluye tres funciones separadas, pero relacionadas: 1) ventilación (respiración); 2) intercambio de gases, que ocurre entre el aire y la sangre en los pulmones, y entre la sangre y otros tejidos del cuerpo, y 3) utilización de oxígeno por los tejidos en las reacciones liberadoras de energía de la respiración celular. Composición del sistema respiratorio El intercambio de gases en los pulmones ocurre a través de un estimado de 300 millones de sacos aéreos pequeños (de 0.25 a 0.50 mm de diámetro) conocidos como alveolos. Hay dos tipos de células alveolares, designadas células alveolares tipo I, y células alveolares tipo II. Las células alveolares tipo I comprenden 95 a 97% del área de superficie total de los pulmones, el intercambio de gases con la sangre ocurre principalmente a través de las células alveolares tipo I. Las células alveolares tipo II son las células que secretan surfactante pulmonar y que resorben Na+ y H2O, lo que evita la acumulación de líquido dentro de los alveolos. Los alveolos individuales también ocurren como evaginaciones separadas a lo largo de los bronquiolos respiratorios. Las vías de aire del sistema respiratorio se dividen en dos zonas funcionales. La zona respiratoria es la región donde ocurre el intercambio de gases e incluye a los bronquiolos respiratorios y también incluye a los sacos alveolares terminales. La zona de conducción incluye todas las estructuras anatómicas a través de las cuales pasa el aire antes de llegar a la zona respiratoria. La zona de conducción del sistema respiratorio consta de boca, nariz, faringe, laringe, tráquea, bronquios primarios, y todas las ramificaciones sucesivas de los bronquiolos hasta, e incluso, los bronquiolos terminales. Además de conducir aire

hacia la zona respiratoria, estas estructuras desempeñan otras funciones: calentamiento y humidificación del aire inspirado, y filtración y limpieza. Ventilación La ventilación es el proceso mecánico que mueve aire hacia dentro y hacia afuera de los pulmones. Este proceso ocurre como resultado de diferencias de presión inducidas por cambios de los volúmenes pulmonares. La ventilación está influida por las propiedades físicas de los pulmones, incluso su adaptabilidad, elasticidad y tensión superficial. El pulmón es una estructura elástica que se colapsa como un globo y expulsa el aire a través de la tráquea siempre que no haya ninguna fuerza que lo mantenga insuflado. El pulmón flota en la cavidad torácica, rodeado por una capa delgada de líquido pleural que lubrica el movimiento de los pulmones en el interior de la cavidad. Interferencia de las presiones La presión pleural es la presión del líquido que está en el delgado espacio que hay entre la pleura pulmonar y la pleura de la pared torácica. Normalmente hay una aspiración ligera, lo que significa que hay una presión ligeramente negativa. La presión pleural normal al comienzo de la inspiración es de aproximadamente –5 cm H2 O, que es la magnitud de la aspiración necesaria para mantener los pulmones expandidos hasta su nivel de reposo. Durante la inspiración normal, la expansión de la caja torácica tira hacia fuera de los pulmones con más fuerza y genera una presión más negativa, hasta un promedio de aproximadamente −7,5 cm H2 O. Estas relaciones entre la presión pleural y las modificaciones del volumen pulmonar. La presión alveolar es la presión del aire que hay en el interior de los alvéolos pulmonares. Para que se produzca un movimiento de entrada de aire hacia los alvéolos durante la inspiración, la presión en los alvéolos debe disminuir hasta un valor ligeramente inferior a la presión atmosférica (0 cm H2 O). Durante la inspiración normal la presión alveolar disminuye hasta aproximadamente –1 cm H2 O. Esta ligera presión negativa es suficiente para arrastrar 0,5 l de aire hacia los pulmones en los 2 s necesarios para una inspiración tranquila normal.

La presión transpulmonar (o transmural) es la diferencia entre la presión intrapulmonar y la presión intrapleural. Los cambios de la presión intrapulmonar ocurren como resultado de cambios del volumen pulmonar. Esto se deduce por la ley de Boyle, que declara que la presión de una cantidad de gas dada es inversamente proporcional a su volumen. Volúmenes pulmonares La adaptabilidad, elasticidad y tensión superficial de los pulmones son propiedades físicas que afectan el funcionamiento de los volúmenes pulmonares. Se presentan cuatro volúmenes pulmonares que, cuando se suman, son iguales al volumen máximo al que se pueden expandir los pulmones. Estos volúmenes corresponden al: volumen corriente, el volumen de reserva inspiratorio, el volumen de reserva respiratorio y el volumen residual. El volumen corriente es el volumen de aire que se inspira o se espira en cada respiración normal; es igual a aproximadamente 500ml en el varón adulto. El volumen de reserva inspiratoria es el volumen adicional de aire que se puede inspirar desde un volumen corriente normal y por encima del mismo cuando la persona inspira con una fuerza plena; aproximadamente es de 3.000ml. El volumen de reserva espiratoria es el volumen adicional máximo de aire que se puede espirar mediante una espiración forzada después del final de una espiración a volumen corriente normal; normalmente es igual a 1.100ml. El volumen residual es el volumen de aire que queda en los pulmones después de la espiración más forzada; este volumen es de aproximadamente 1.200ml. Propiedades físicas del pulmón; adaptabilidad, elasticidad y tensión superficial La adaptabilidad pulmonar puede definirse como cambio del volumen pulmonar por cambio de la presión transpulmonar, expresado simbólicamente como ∆V/∆P. Es decir, una presión transpulmonar dada causará mayor o menor expansión, dependiendo de la adaptabilidad de los pulmones.

La elasticidad se refiere a la tendencia de una estructura a regresar a su tamaño inicial tras ser distendida. En circunstancias normales los pulmones están adheridos a la pared torácica, de modo que siempre se encuentran en un estado de tensión elástica. La delgada película de líquido que en circunstancias normales se encuentra en el alveolo tiene una tensión superficial, producida porque las moléculas de agua en la superficie son atraídas más hacia otras moléculas de agua que hacia el aire. Esta tensión superficial actúa para colapsar el alveolo y, en el proceso, aumenta la presión del aire dentro del alveolo. Como describe la ley de Laplace, la presión así creada es directamente proporcional a la tensión superficial, e inversamente proporcional al radio del alveolo. Inspiración y espiración La inspiración tranquila, normal, se produce por contracción muscular, y la espiración normal, por relajación muscular y retroceso elástico. La ventilación pulmonar consta de dos fases: inspiración y espiración. La inspiración (inhalación) y la espiración (exhalación) se logran por aumento y disminución alternos de los volúmenes del tórax y los pulmones. En una inspiración normal, la contracción del diafragma y de los músculos intercostales externos aumenta los volúmenes torácico y pulmonar, lo que disminuye la presión intrapulmonar a alrededor de −3 mm Hg. Durante la espiración, en una respiración no forzada, la relajación del diafragma y de los músculos intercostales externos, más el retroceso elástico de los pulmones, disminuyen el volumen pulmonar y aumentan la presión intrapulmonar hasta aproximadamente +3 mm Hg. Durante una ventilación forzada, a inspiración es auxiliada por la contracción de músculos accesorios, como los escalenos y esternocleidomastoideos, y disminuye la presión intrapulmonar a +20 mm Hg o menos. La espiración durante esta ventilación forzada, es ayudada por la contracción de los músculos abdominales y

los músculos intercostales internos, y aumenta la presión intrapulmonar hasta + 30 mm Hg o más. Diagnóstico de enfermedades La función pulmonar puede evaluarse en clínica por medio de una técnica conocida como espirometría. En este procedimiento, un sujeto inspira en un sistema cerrado en el cual el aire es atrapado dentro de una campana de plástico ligera que flota en agua. La campana se mueve hacia arriba cuando el sujeto exhala, y hacia abajo cuando inhala. Trastornos pulmonares La espirometría es útil en el diagnóstico de enfermedades pulmonares. Con base en las pruebas de función pulmonar, los trastornos pulmonares pueden clasificarse como restrictivos u obstructivos. Los trastornos restrictivos son aquellos en los que la capacidad vital está reducida por debajo de lo normal. En los trastornos obstructivos, la capacidad vital es normal porque el tejido pulmonar no está dañado. El asma alérgica es un trastorno inflamatorio crónico de las vías respiratorias. El enfisema consiste en cuando el tejido alveolar queda destruido en la enfermedad crónica y progresiva, la causa más frecuente de enfisema es fumar cigarrillos. La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se caracteriza por inflamación crónica con estrechamiento de las vías respiratorias y destrucción de las paredes alveolares. La categoría de la EPOC incluye la bronquiolitis obstructiva crónica, con fibrosis y obstrucción de los bronquiolos, y el enfisema . Intercambio de gases El intercambio de gases entre el aire alveolar y los capilares pulmonares da por resultado aumento de la concentración de oxígeno y disminución de la de dióxido de carbono en la sangre que sale de los pulmones. Esta sangre entra a las arterias sistémicas, donde se toman las mediciones de gases en sangre. El aire inspirado contiene cantidades variables de humedad. Empero, para el momento en que el aire ha pasado hacia la zona respiratoria de los pulmones,

normalmente está saturado con vapor de agua (tiene una humedad relativa de 100%). Como resultado del intercambio de gases en los alveolos, hay un incremento de la PCO2, mientras que la PO2 del aire alveolar está más disminuida, a alrededor de 105 mm Hg. La enorme área de superficie de los alveolos, y la distancia de difusión corta entre el aire alveolar y la sangre capilar ayudan con rapidez a llevar el oxígeno y el dióxido de carbono en la sangre y el aire hacia un equilibrio. Cuando un líquido y un gas, como la sangre y el aire alveolar, están en equilibrio, la cantidad de gas disuelta en el líquido alcanza un valor máximo. De acuerdo con la ley de Henry, este valor depende de la solubilidad del gas en el líquido, que es una constante física; la temperatura del líquido, y la presión parcial del gas. Puesto que la solubilidad es una constante, y la temperatura de la sangre no varía de manera significativa, la concentración de un gas disuelto en un líquido (como el plasma) depende directamente de su presión parcial en la mezcla de gas. Medición de oxígeno La medición del contenido de oxígeno de la sangre (en mililitros de O2 por 100 ml de sangre) es un proceso laborioso. El contenido de oxígeno de la sangre entera depende tanto de su PO2 como de su contenido en los eritrocitos y la hemoglobina. A una PO2 de alrededor de 100 mm Hg, la sangre entera por lo normal contiene casi 20 ml de O2 por 100 ml de sangre; de esta cantidad, sólo 0.3 ml de O2 están disueltos en el plasma, y 19.7 ml de O2 se encuentran dentro de los eritrocitos. La importancia la medición de la PCO2 y PO2, es saber que si el aire inspirado tiene una PO2 normal, pero la PO2 arterial está por debajo de lo normal, se concluiría que el intercambio de gases en los pulmones está alterado. Así, las mediciones de la PO2 arterial proporcionan información valiosa en el tratamiento de personas que tienen enfermedades pulmonares, en la práctica de intervenciones quirúrgicas (cuando la respiración puede estar deprimida por la anestesia), y en el cuidado de lactantes prematuros que presentan síndrome de dificultad respiratoria. Los valores en sangre arterial son relativamente constantes, e importantes en clínica porque reflejan la función pulmonar.

Regulación de la respiración Las neuronas motoras que estimulan los músculos respiratorios están controladas por dos vías descendentes principales: una que controla la respiración voluntaria, y otra que controla la respiración involuntaria. El control rítmico inconsciente de la respiración está influido por retroacción sensorial proveniente de receptores sensibles a la PCO2, el pH y la PO2 de la sangre arterial. La inspiración y espiración se producen por la contracción y relajación de músculos esqueléticos en respuesta a la actividad en neuronas motoras somáticas en la médula espinal. La actividad de estas neuronas motoras está controlada, a su vez, por tractos descendentes provenientes de neuronas en los centros de control respiratorio en el bulbo raquídeo, y de neuronas en la corteza cerebral. Transporte de oxígeno El transporte de oxígeno por la sangre es esencial para un correcto metabolismo celular en todos los tejidos del organismo. El O2 es transportado bajo dos formas: un pequeño porcentaje circula disuelto en el plasma y el restante 97% es transportado en unión reversible con la hemoglobina. El O2 transportado de los pulmones a los tejidos y el CO2 viaja de los tejidos a los pulmones. La hemoglobina es el principal componente de los eritrocitos. También es la proteína responsable del transporte eficaz de los gases O2 y

CO2. La hemoglobina está

formada de un parte proteica correspondiente a 4 globinas o cadenas (2 a y 2b), la parte no proteica está formado por cuatro grupos hemos. El oxígeno que es transportado en la hemoglobina se une en su parte no proteica, es decir, en cada grupo hemo. Esto quiere decir que en cada hierro se une un oxígeno. Existen dos estados conformacionales de la hemoglobina durante el transporte

de

oxígeno:

oxihemoglobina

(hemoglobina

relajada)

y

desoxihemoglobina (hemoglobina tensa), estos varían dependiendo de la afinidad del oxígeno.

Efecto cooperador La conformación tensa se refiere a cuando la hemoglobina se encuentra desoxigenada y no quiere mostrar sus grupos hemo, mientras que la conformación relajada se presenta una vez que cada grupo hemo toma un oxígeno. El efecto cooperador se refiere a cuando la hemoglobina se relaja para mostrar sus grupos hemos, una vez que un O2 toma uno. El oxígeno viaja del pulmón hacia los tejidos por lo que una vez que regresa esta se encuentra en su estado tenso debido a que acaba de dejar el oxígeno en los tejidos. La hemoglobina va al pulmón para ser saturada, esta saturación va depender de la presión parcial, la cual se refiere al número de partículas que chocan contra una superficie. La hemoglobina se satura normalmente al 100%. En la hemoglobina se pueden producir cuatro reacciones distintas: oxihemoglobina, metahemoglobina, carbohemoglobina y carboxihemoglobina. La oxihemoglobina ocurre cuando la hemoglobina está unida al oxígeno, el oxígeno se une a la hemoglobina cuando se encuentra en su estado ferroso. En condiciones normales cada átomo de Fe puede fijar una molécula de O 2. La formación de oxihemoglobina es una reacción reversible lo que permite la captación y liberación de O2 según la presión parcial de O2. Esta reacción depende de: el pH, la temperatura y la concentración de 2,3-difosfoglicerato. Efecto del 2,3-difosfoglicerato en el transporte El 2,3-DPG es sintetizado en los hematíes humanos en una derivación de un solo paso de la vía glucolítica. Este anión que se encuentra en alta concentración en los eritrocitos. Altera la afinidad de la Hb por el O2 mediante dos mecanismos: se une a las cadenas ß de la desoxihb, pero no a las de oxihb y disminuye el ph intracelular ya que presenta 5 grupos ácidos. Un aumento en la concentración de 2, 3-DPG desplaza la curva a la derecha, haciendo que se libere más O2. Esto ocurre después de una hora de ejercicio, en condiciones de anemia, en las alturas y en situaciones de hipoxia crónica.

Referencias Baynes, Bioquímica Médica, Editorial Elsevier, 4ta. Edición, 2018, México Fox, S. (2011). Fisiología Humana. México: The McGraw-Hill Companies; Doceava edición. Guyton y Hall. (2011). Tratado de Fisiología médica. España: Editorial Elsevier; Duodécima edición....