La vía aérea se puede dividir en 2; superior e inferior. La superior está conformada por la nariz, boca y faringe, mientras que la inferior se compone por la laringe, tráquea y el árbol bronquial.
A medida que avanza el árbol bronquial el diámetro de sección transversal de las vías aéreas va aumentando, lo que enlentece el flujo aéreo en su periferia y favorece el intercambio gaseoso en la unidad respiratoria.
La unidad respiratoria está conformada por los bronquiolos terminales y los sacos alveolares, que están compuestos por dos tipos de células, tipo 1 y tipo 2. El alveolo se mantiene abierto gracias a una importante sustancia secretada por las células tipo dos, llamada surfactante pulmonar, que disminuye la tensión superficial del agua, evitando el colapso alveolar, lo que permite una ventilación alveolar uniforme y evita el intercambio gaseoso entre alveolos.
La circulación pulmonar nace desde la válvula y arteria pulmonar, que lleva sangre venosa a los pulmones proveniente del ventrículo derecho, está conformada por tres tipos de arterias, elásticas, musculares y capilares, estas últimas son producto de la pérdida de las capas adventicias y musculares al profundizar en el aparato respiratorio, quedando formadas únicamente por endotelio, que es altamente susceptible a cambios de oxigenación, generando vasoespasmo en zonas pobremente ventiladas, lo que optimiza el intercambio gaseoso.
La principal función del aparato respiratorio es el intercambio gaseoso, sin embargo, cumple un rol importante en otras actividades claves como es la mantención del equilibrio ácido base, la fonación y la defensa inmunitaria del organismo.
Mecánica Respiratoria
El principal musculo de la respiración es el diafragma, que al contraerse desciende, aumentando el diámetro céfalo caudal del tórax y aplicando fuerza sobre la cara superior del abdomen, la que es distribuida por sus vísceras, hacia la periferia abdominal, esto impulsa las costillas inferiores hacia arriba, aumentando el diámetro trasverso del tórax.
Es importante recordar que la presión alveolar en condiciones estáticas y con la boca abierta es igual a la presión atmosférica, que para efectos de la mecánica ventilatoria se le asigna el valor 0 y es generada por un equilibrio entre la presión pleural, habitualmente negativa y la presión de retracción elástica pulmonar, habitualmente positiva. Cuando el diafragma se contrae y aumenta el volumen intratorácico la presión pleural se hace más negativa, lo que hace que la presión alveolar disminuya, lo que produce el ingreso de aire a los pulmones, fenómeno llamado inspiración. Mientras que cuando el diafragma se distiende disminuye el volumen intratorácico con lo que aumenta la presión alveolar y se produce la espiración. En este proceso la presión dentro de las vías respiratorias cae paulatinamente hasta que en un punto la suma de presiones intra y extra vía aérea se hace negativa y la vía aérea se cierra por compresión dinámica, dejando retenido volumen en las vías aéreas.
Al analizar la mecánica respiratoria usaremos dos conceptos, volúmenes y capacidades, el volumen de aire que se mueve en una respiración normal es llamado volumen tidal, el que se alcanza desde el volumen tidal hasta la inspiración completa es llamado volumen de reserva inspiratoria, el que queda desde ahí hasta la espiración forzada es conocido como volumen de reserva espiratoria y finalmente el volumen residual, es aquel que queda en los pulmones a pesar de una espiración completa. Las sumas de volúmenes son las capacidades, la capacidad inspiratoria es la suma del volumen tidal y el volumen de reserva espiratorio, mientras la suma del volumen de reserva espiratorio más el residual forman la capacidad residual funcional. La suma del volumen de reserva espiratorio, inspiratorio y el volumen tidal es la capacidad vital y todos los volúmenes forman la capacidad pulmonar total.
El comportamiento de las fibras pulmonares es distinto a distintos volúmenes, así a capacidad residual funcional pequeños cambios de presión generan grandes cambios de volumen, mientras que a capacidad pulmonar total grandes cambios de presión no son capaces de generar cambios en el volumen pulmonar.
El camino del Oxígeno
Para realizar su función de intercambio gaseoso el aparato respiratorio debe transportar el aire ambiental, trasladar el oxígeno hasta los tejidos y devolverlo al ambiente cargado de dióxido de carbono, a esto llamaremos el camino del oxígeno.
La ventilación alveolar que se define como el intercambio de gases a nivel alveolo capilar depende del transporte de aire ambiental a los alveolos. La ventilación por minuto, es la cantidad de aire que ingresa al sistema respiratorio en un minuto y se calcula multiplicando el volumen corriente, o tidal, por la frecuencia respiratoria. Sin embargo, no todo el aire que ingresa al sistema llega a los alveolos, y por lo tanto no participa del intercambio gaseoso, esto se debe a que aproximadamente un tercio del aire que ingresa permanece en las vías aéreas, lo que es llamado espacio muerto anatómico, y depende en gran medida de la resistencia de la vía aérea al flujo de aire, que se calcula como 8 multiplicado por la viscosidad del fluido, por la longitud de la vía aérea, dividido en su radio elevado a la cuarta potencia. Otro porcentaje menor llega a los alveolos, pero no participa de la ventilación, porque estos no están perfundidos, lo que se llama espacio muerto fisiológico y toma especial importancia en los procesos fisiopatológicos.
La presión inspirada de oxígeno depende de la presión barométrica menos la presión de vapor de agua multiplicado por la fracción inspirada de oxígeno. Este valor es útil para conocer la presión alveolar de oxígeno, que es igual a la presión inspirada de oxígeno menos la presión arterial de dióxido de carbono dividido por el cociente respiratorio, que es 0,8.
Una vez que el oxígeno se encuentra en el alveolo y el dióxido de carbono en el lecho vascular estos gases deben difundir, intercambiándose para seguir sus recorridos. La ley de Fick explica este fenómeno, ella indica que la capacidad de difundir de un gas es directamente proporcional a la diferencia de presiones, el área de intercambio y al cociente de difusión e inversamente proporcional al grosor de la membrana. El dióxido de carbono posee un cociente de difusión 21 veces mayor que el oxígeno, por lo tanto, el valor de este gas es prácticamente igual en el capilar que en el aire exhalado, en cambio se estima que en condiciones normales difunde solo el 90% del oxígeno alveolar hacia el lecho capilar.
Una vez en la sangre el oxígeno debe viajar hacia los tejidos, lo hace de dos formas, la primera y más prevalente es asociado a hemoglobina, la segunda, menos cuantiosa, pero no por eso menos importante, lo hace asociada al plasma. Esta última es cercana a 3%, pero es de gran utilidad fisiológica para regular la saturación parcial de oxígeno y regular el sistema cardiorrespiratorio, y clínica ya que la presión arterial de oxígeno es ampliamente medida para guiar tratamientos.
En reposo los tejidos usan un 25% del oxígeno, algunas situaciones disminuyen la afinidad del oxígeno con la hemoglobina, lo que aumenta su entrega, por ejemplo, la acidosis y la hipertermia, este fenómeno es conocido como fenómeno de Bohr. Cuando la hemoglobina pierde oxígeno es llamada Carboxi hemoglobina, esto aumenta su afinidad con el dióxido de carbono, aumentando su transporte para ser eliminado por las vías respiratorias, este es el fenómeno de Haldane.
El dióxido de carbono completa el recorrido en el sistema venoso, la saturación parcial de oxígeno venosa es de 75% y su caída brusca no determina una baja en su saturación arterial, ya que esto incrementa la diferencia alveolo capilar de oxígeno, aumentando la difusión.
La presión de oxígeno va disminuyendo desde la atmosfera hasta los tejidos, en primer lugar, por la acción del espacio muerto, después por la barrera alveolo capilar y el shunt que disminuyen la difusión de oxígeno en aproximadamente 10 mmHg y finalmente por el consumo de oxígeno celular. El shunt ocurre cuando sangre no oxigenada, venosa, se mezcla con sangre oxigenada, ya sea por una comunicación a nivel cardiocirculatorio o por la perfusión de zonas no ventiladas a nivel pulmonar.
La presión arterial de dióxido de carbono es inversamente proporcional a la ventilación alveolar, de esta forma cuando la frecuencia respiratoria o el volumen tidal disminuyen la presión arterial de dióxido de carbono aumenta y viceversa.
Relación V/Q
La relación ventilación perfusión no es uniforme en todo el pulmón. En las bases pulmonares la ventilación es considerablemente menor que la perfusión, lo que hace la relación ventilación perfusión sea mucho menor en esa área que el resto del pulmón. Lo inverso ocurre en los vértices, la ventilación es superior a la perfusión, por lo que la relación tiende al infinito. Aproximadamente a la altura de la tercera costilla la ventilación es igual a la perfusión, por lo que la relación es cercana a 1. En las zonas apicales, donde la relación ventilación perfusión es alta, la presión arterial de oxígeno también lo es. Por el contrario, en las zonas de mayor perfusión y menor ventilación, predomina la presión arterial de dióxido de carbono.
Equilibrio ácido base
El pH es la concentración de hidrogeniones en un determinado tejido o fluido y se calcula en función al logaritmo inverso de su concentración, es así como mientras mayor concentración de hidrogeniones menor será el pH.
Un ácido es una sustancia capaz de entregar hidrogeniones, mientras una base es una capaz de recibirlos.
Los límites normales de pH en la sangre arterial humana fluctúan entre 7, 35 y 7,45, menor a 7,35 es llamado acidosis y mayor a 7,45 es llamado alcalosis.
El equilibrio ácido base consiste en mantener la concentración de hidrogeniones dentro de los estrictos márgenes que tolera el ser humano, ya que un desequilibrio pequeño en sus concentraciones puede generar grandes problemas en la salud del organismo.
Para entender el equilibrio ácido base es necesario conocer que el agua, principal componente de la mayoría de los mamíferos, posee la capacidad de separarse en un hidrogenión (ácido) y un grupo hidroxilo (base), lo que le confiere un valor muy importante en el equilibrio ácido base. El equilibrio de la concentración de protones depende de una importante reacción química mediada por la enzima anhidrasa carbónica y posee dos componentes importantes el dióxido de carbono como agente acidificante y el bicarbonato como agente alcalinizante. Esta reacción dice que el dióxido de carbono al hidratarse forma ácido carbónico, que es capaz de liberar un hidroxilo y bicarbonato, esto mediado por la enzima antes mencionada, bajando el pH. El proceso puede seguirse de forma inversa formando ácido carbónico a partir de la integración de bicarbonato y un protón, el que luego puede separarse en agua y dióxido de carbono, el que finalmente puede ser eliminado, a través de la respiración, subiendo el pH.
Otra fórmula importante es la de Henderson Hasselbach que dice que el pH es directamente proporcional a la concentración de bicarbonato e inversamente proporcional a la concentración arterial de dióxido de carbono.
Existen tres mecanismos para regular el pH arterial, el primero es el amortiguador de los líquidos corporales, este sistema es inmediato y consiste en usar el bicarbonato disponible en la sangre, para unirse a un protón, formar ácido carbónico, para luego separarse en dióxido de carbono más agua y así reducir la concentración de protones y el pH.
El siguiente nivel, más lento que el anterior, pero de corto plazo, es la regulación respiratoria. La frecuencia respiratoria está fuertemente ligada a la presencia de gases en sangre, en relación a su participación en el equilibrio ácido base se debe destacar que tanto la concentración de hidrogeniones, como de dióxido de carbono, son directamente proporcionales a la frecuencia respiratoria, esto se debe a la presencia de receptores para estas sustancias en los centros respiratorios de bulbo raquídeo. El dióxido de carbono puede viajar dentro del eritrocito, asociado a bicarbonato, lo que es llamado carboxihemoglobina y libre en el plasma. El tercer mecanismo de es tardío y puede durar varios días, es la regulación renal. En el riñón pueden ocurrir tres cosas para regula el pH, la primera es evitar las pérdidas de bicarbonato, reabsorbiéndolo. La segunda es secretando hidrogeniones y la tercera es producir bicarbonato, a partir de agua y dióxido de carbono.
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