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¿Qué gases se necesitan para que los humanos respiren?


Comenzaré un proyecto científico sobre cómo mantener la vida en las estaciones espaciales. Ya sé que el oxígeno puro es dañino para los humanos, pero ¿sería suficiente $ O_2 $ + $ CO_2 $ para que los humanos lo inhalen o los humanos también necesitan otros gases?


¿Por qué no mirar la estación espacial existente como ejemplo? La Estación Espacial Internacional (ISS), un artículo de partida es "Respirar tranquilo en la estación espacial" (NASA), mientras que este artículo no analiza las cantidades de varios productos químicos, analiza el proceso sobre cómo se mantiene el equilibrio químico - un Un punto importante relacionado con su pregunta es que el dióxido de carbono se filtra.

El segundo artículo, "Respirando en la Estación Espacial" (misiones electrónicas), analiza los porcentajes reales de cada componente. Afirma que la composición química del aire de la estación espacial es idealmente similar a la atmósfera de la Tierra. Con 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y 1% de vapor de agua en la estación espacial (el argón está en la atmósfera de la Tierra, pero parece ser innecesario en la estación espacial).

Espero que esto ayude.


13.36: Procesos de respiración

  • Contribuido por CK-12: Conceptos de biología
  • Procedente de la Fundación CK-12

Uvas. ¿Por qué? ¿Qué tienen estos en común con un soplo de aire?

A continuación se muestran las partes de los pulmones donde el oxígeno pasa de los pulmones a la sangre. Si los alvéolos de abajo fueran morados, podrían parecerse a un racimo de uvas. Por supuesto, como los alvéolos se encuentran en los pulmones, deben ser muy pequeños para proporcionar suficiente área para el intercambio de gases. De hecho, hay alrededor de 300 millones de alvéolos en el pulmón adulto.


30.4 Transporte de gases en fluidos corporales humanos

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cómo se une el oxígeno a la hemoglobina y se transporta a los tejidos corporales?
  • ¿Cómo se transporta el dióxido de carbono de los tejidos corporales a los pulmones?

Conexión para cursos AP ®

El intercambio de gases a nivel tisular también se produce por difusión. La mayor parte del oxígeno transportado desde los pulmones al tejido corporal se une a una proteína llamada hemoglobina. La hemoglobina es una proteína cuaternaria compuesta por cuatro grupos hemo que contienen hierro. El hierro tiene una gran afinidad por el oxígeno. (Sabemos esto porque el hierro se oxida cuando se expone al aire).

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos descritos en la Gran Idea 4 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los Objetivos de Aprendizaje AP ® que figuran en el Marco del Currículo proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje fusiona el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 4 Los sistemas biológicos interactúan y estos sistemas y sus interacciones poseen propiedades complejas.
Comprensión duradera 4.A Las interacciones dentro de los sistemas biológicos conducen a propiedades complejas.
Conocimiento esencial 4.A.1 Los subcomponentes de moléculas biológicas y su secuencia determinan las propiedades de esa molécula.
Práctica de la ciencia 6.1 El estudiante puede justificar afirmaciones con pruebas.
Práctica de la ciencia 6.4 El estudiante puede hacer afirmaciones y predicciones sobre fenómenos naturales basados ​​en teorías y modelos científicos.
Objetivo de aprendizaje 4.3 El alumno es capaz de utilizar modelos para predecir y justificar que los cambios en los subcomponentes de un polímero biológico afectan la funcionalidad de la molécula.

Una vez que el oxígeno se difunde a través de los alvéolos, ingresa al torrente sanguíneo y se transporta a los tejidos donde se descarga, y el dióxido de carbono se difunde fuera de la sangre hacia los alvéolos para ser expulsado del cuerpo. Aunque el intercambio de gases es un proceso continuo, el oxígeno y el dióxido de carbono son transportados por diferentes mecanismos.

Transporte de oxígeno en la sangre

Aunque el oxígeno se disuelve en la sangre, de esta manera solo se transporta una pequeña cantidad de oxígeno. Solo el 1,5 por ciento del oxígeno de la sangre se disuelve directamente en la sangre. La mayor parte del oxígeno (98,5 por ciento) se une a una proteína llamada hemoglobina y se transporta a los tejidos.

Hemoglobina

Hemoglobina, o Hb, es una molécula de proteína que se encuentra en los glóbulos rojos (eritrocitos) formada por cuatro subunidades: dos subunidades alfa y dos subunidades beta (Figura 30.19). Cada subunidad rodea una central grupo hemo que contiene hierro y se une a una molécula de oxígeno, lo que permite que cada molécula de hemoglobina se una a cuatro moléculas de oxígeno. Las moléculas con más oxígeno unido a los grupos hemo son de color rojo más brillante. Como resultado, la sangre arterial oxigenada donde la Hb transporta cuatro moléculas de oxígeno es de color rojo brillante, mientras que la sangre venosa que está desoxigenada es de un rojo más oscuro.

Es más fácil unir una segunda y tercera molécula de oxígeno a la Hb que la primera. Esto se debe a que la molécula de hemoglobina cambia de forma o conformación a medida que se une el oxígeno. Entonces, el cuarto oxígeno es más difícil de unir. La unión de oxígeno a la hemoglobina se puede representar en función de la presión parcial de oxígeno en la sangre (eje x) frente a la saturación relativa de Hb-oxígeno (eje y). El gráfico resultante, un curva de disociación de oxígeno—Es sigmoidea o en forma de S (Figura 30.20). A medida que aumenta la presión parcial de oxígeno, la hemoglobina se satura cada vez más de oxígeno.

Conexión visual

  1. El pH de la sangre bajará y aumentará la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.
  2. El pH de la sangre aumentará y la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuirá.
  3. El pH de la sangre descenderá y la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuirá.
  4. El pH de la sangre aumentará y también aumentará la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.

Factores que afectan la unión del oxígeno

los capacidad de transporte de oxígeno de hemoglobina determina la cantidad de oxígeno que se transporta en la sangre. Además de P O 2 P O 2, otros factores ambientales y enfermedades pueden afectar la capacidad de transporte y suministro de oxígeno.

Enfermedades como la anemia de células falciformes y la talasemia disminuyen la capacidad de la sangre para transportar oxígeno a los tejidos y su capacidad de transporte de oxígeno. En anemia falciforme, la forma del glóbulo rojo tiene forma de media luna, alargada y rígida, lo que reduce su capacidad para suministrar oxígeno (Figura 30.21). De esta forma, los glóbulos rojos no pueden atravesar los capilares. Esto es doloroso cuando ocurre. Talasemia es una enfermedad genética rara causada por un defecto en la subunidad alfa o beta de la Hb. Los pacientes con talasemia producen una gran cantidad de glóbulos rojos, pero estas células tienen niveles de hemoglobina más bajos de lo normal. Por tanto, se reduce la capacidad de transporte de oxígeno.

Transporte de dióxido de carbono en la sangre

Las moléculas de dióxido de carbono se transportan en la sangre desde los tejidos corporales a los pulmones mediante uno de estos tres métodos: disolución directamente en la sangre, uniéndose a la hemoglobina o transportadas como iones bicarbonato. Varias propiedades del dióxido de carbono en la sangre afectan su transporte. Primero, el dióxido de carbono es más soluble en sangre que el oxígeno. Aproximadamente del 5 al 7 por ciento de todo el dióxido de carbono se disuelve en el plasma. En segundo lugar, el dióxido de carbono puede unirse a las proteínas plasmáticas o puede ingresar a los glóbulos rojos y unirse a la hemoglobina. Esta forma transporta alrededor del 10 por ciento del dióxido de carbono. Cuando el dióxido de carbono se une a la hemoglobina, una molécula llamada carbaminohemoglobina se forma. La unión del dióxido de carbono a la hemoglobina es reversible. Por lo tanto, cuando llega a los pulmones, el dióxido de carbono puede disociarse libremente de la hemoglobina y ser expulsado del cuerpo.

El beneficio del sistema tampón de bicarbonato es que el dióxido de carbono se “absorbe” en la sangre con pocos cambios en el pH del sistema. Esto es importante porque solo se necesita un pequeño cambio en el pH general del cuerpo para que se produzcan lesiones graves o la muerte. La presencia de este sistema de amortiguación de bicarbonato también permite que las personas viajen y vivan a grandes altitudes: cuando la presión parcial de oxígeno y dióxido de carbono cambia a grandes altitudes, el sistema de amortiguación de bicarbonato se ajusta para regular el dióxido de carbono mientras se mantiene el pH correcto en el cuerpo. .

Envenenamiento por monóxido de carbono

Mientras que el dióxido de carbono puede asociarse y disociarse fácilmente de la hemoglobina, otras moléculas como el monóxido de carbono (CO) no pueden. El monóxido de carbono tiene una mayor afinidad por la hemoglobina que el oxígeno. Por lo tanto, cuando el monóxido de carbono está presente, se une a la hemoglobina preferentemente sobre el oxígeno. Como resultado, el oxígeno no puede unirse a la hemoglobina, por lo que se transporta muy poco oxígeno a través del cuerpo (Figura 30.22). El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro y, por lo tanto, es difícil de detectar. Es producido por herramientas y vehículos propulsados ​​por gas. El monóxido de carbono puede causar dolores de cabeza, confusión y náuseas. La exposición prolongada puede causar daño cerebral o la muerte. La administración de oxígeno al 100 por ciento (puro) es el tratamiento habitual para la intoxicación por monóxido de carbono. La administración de oxígeno puro acelera la separación del monóxido de carbono de la hemoglobina.


¿Qué hay en un aliento?

El nitrógeno constituye la mayor parte (78 por ciento) del aire que los humanos inhalan y exhalan, considerando que los cuerpos humanos no lo utilizan. El segundo lugar pertenece al oxígeno (21 por ciento adentro, 16 por ciento afuera) y en un distante tercer dióxido de carbono (0.04 por ciento adentro, cuatro por ciento afuera). Existen otros oligoelementos en el aire exhalado, como el argón (0.09 por ciento en ambos sentidos, nuevamente porque los humanos no lo usan). Los seres humanos también exhalan vapor de agua, un subproducto de la respiración celular, a un ritmo que varía según la persona, su salud y otros factores.

Pueden existir otros productos químicos en el aire que los humanos inhalan y exhalan, algunos de los cuales pueden ser dañinos para la salud humana. Las partículas de las industrias, el humo de los cigarrillos y otros productos químicos como el azufre y los óxidos de nitrógeno pueden dañar los pulmones. Algunas formas de materia peligrosa, como los gérmenes y las partículas, quedan atrapadas por los crecimientos similares a pelos que recubren el pasaje hacia la garganta de una persona. Llamados cilios, ayudan a proteger a las personas de estos elementos en el aire de la Tierra, pero no es un sistema perfecto y, a veces, las cosas pueden llegar al resto de los pulmones y quedar atrapadas en los alvéolos. Los gérmenes, por ejemplo, pueden potencialmente causar infecciones.


Protección del sistema respiratorio

Figura ( PageIndex <7> ): El movimiento de barrido hacia arriba de los cilios que recubren el tracto respiratorio ayuda a mantenerlo libre de polvo, patógenos y otras sustancias nocivas.

Es posible que pueda sobrevivir durante semanas sin comida y durante días sin agua, pero puede sobrevivir sin oxígeno solo por unos minutos, excepto en circunstancias excepcionales. Por lo tanto, proteger el sistema respiratorio es vital. Esa es la razón por la que asegurarse de que un paciente tenga las vías respiratorias abiertas es el primer paso en el tratamiento de muchas emergencias médicas. Afortunadamente, el sistema respiratorio está bien protegido por la caja torácica del sistema esquelético. Sin embargo, la extensa superficie del sistema respiratorio está directamente expuesta al mundo exterior y todos sus peligros potenciales en el aire inhalado. Por lo tanto, no debería sorprendernos que el sistema respiratorio tenga una variedad de formas de protegerse de sustancias nocivas como el polvo y los patógenos en el aire.

La principal forma en que se protege el sistema respiratorio se llama escalera mecánica mucociliar. Desde la nariz hasta los bronquios, el tracto respiratorio está cubierto por el epitelio que contiene células caliciformes secretoras de moco. El moco atrapa partículas y patógenos en el aire entrante. El epitelio del tracto respiratorio también está cubierto con pequeñas proyecciones de células llamadas cilios (singular, cilio), como se muestra en la Figura ( PageIndex <7> ). Los cilios se mueven constantemente en un movimiento de barrido hacia la garganta, alejando el moco y las partículas atrapadas y los patógenos de los pulmones hacia el exterior del cuerpo.

¿Qué pasa con el material que sube por la escalera mecánica mucociliar hasta la garganta? Generalmente se elimina del tracto respiratorio aclarando la garganta o tosiendo. La tos es una respuesta en gran parte involuntaria del sistema respiratorio que se produce cuando se irritan los nervios que recubren las vías respiratorias. La respuesta hace que el aire sea expulsado con fuerza de la tráquea, lo que ayuda a eliminar la mucosidad y cualquier residuo que contenga (llamado flema) desde el tracto respiratorio superior hasta la boca. La flema puede escupir (expectorar) o puede ser tragada y destruida por los ácidos del estómago.

El estornudo es una respuesta involuntaria similar que ocurre cuando los nervios que recubren el conducto nasal están irritados. Tiene como resultado la expulsión enérgica de aire de la boca, que rocía millones de pequeñas gotas de moco y otros desechos fuera de la boca y en el aire, como se muestra en la Figura ( PageIndex <8> ). Esto explica por qué es tan importante estornudar en una manga en lugar del aire para ayudar a prevenir la transmisión de patógenos respiratorios.

Figura ( PageIndex <8> ): Los estornudos provocan que pequeñas partículas de la boca sean expulsadas con fuerza al aire.


Frecuencia respiratoria y control de la ventilación

La respiración generalmente ocurre sin pensar, aunque a veces puedes controlarla conscientemente, como cuando nadas bajo el agua, cantas una canción o haces burbujas. La frecuencia respiratoria es el número total de respiraciones, o ciclos respiratorios, que ocurren cada minuto. La frecuencia respiratoria puede ser un indicador importante de enfermedad, ya que la frecuencia puede aumentar o disminuir durante una enfermedad o en una condición patológica. La frecuencia respiratoria está controlada por el centro respiratorio ubicado dentro del Medula oblonga en el cerebro, que responde principalmente a cambios en los niveles de dióxido de carbono, oxígeno y pH en la sangre.

La frecuencia respiratoria normal de un niño disminuye desde el nacimiento hasta la adolescencia. Un niño menor de 1 año tiene una frecuencia respiratoria normal entre 30 y 60 respiraciones por minuto, pero cuando el niño tiene alrededor de 10 años, la frecuencia normal está más cerca de los 18 a 30. En la adolescencia, la frecuencia respiratoria normal es similar a la de los adultos, de 12 a 18 respiraciones por minuto.

Factores que afectan la frecuencia y la profundidad de la respiración

La frecuencia respiratoria y la profundidad de la inspiración están reguladas por los centros de respiración del cerebro: el bulbo raquídeo y la protuberancia. Estos centros responden a estímulos sistémicos utilizando una relación de retroalimentación positiva en la que cuanto mayor es el estímulo, mayor es la respuesta. Por lo tanto, el aumento de los estímulos da como resultado una respiración forzada. Múltiples factores sistémicos están involucrados en la estimulación del cerebro para producir ventilación pulmonar.

Sorprendentemente, el factor principal que estimula el bulbo raquídeo y la protuberancia para producir respiración no es la concentración de oxígeno, sino la concentración de dióxido de carbono en la sangre. Como recordará, el dióxido de carbono es un producto de desecho de la respiración celular y puede ser tóxico. Los quimiorreceptores detectan las concentraciones de sustancias químicas. Los quimiorreceptores centrales se encuentran en el cerebro y el tronco encefálico, mientras que los quimiorreceptores periféricos se encuentran en las arterias carótidas y el arco aórtico. Los cambios de concentración en ciertas sustancias, como el dióxido de carbono o los iones de hidrógeno, estimulan estos receptores, que a su vez señalan los centros de respiración del cerebro. En el caso del dióxido de carbono, como la concentración de CO2 en la sangre aumenta, se difunde fácilmente a través de la barrera hematoencefálica, donde se acumula en el líquido extracelular. Como se explicará con más detalle más adelante, el aumento de los niveles de dióxido de carbono conduce a un aumento de los niveles de iones de hidrógeno, disminuyendo el pH. El aumento de iones de hidrógeno en el cerebro activa los quimiorreceptores centrales para estimular los centros respiratorios para iniciar la contracción del diafragma y los músculos intercostales. Como resultado, la frecuencia y la profundidad de la respiración aumentan, lo que permite que se expulse más dióxido de carbono, lo que hace que entre y salga más aire de los pulmones y promueva una reducción de los niveles de dióxido de carbono en sangre y, por lo tanto, de iones de hidrógeno en la sangre. Por el contrario, los niveles bajos de dióxido de carbono en la sangre provocan niveles bajos de iones de hidrógeno en el cerebro, lo que lleva a una disminución en la frecuencia y profundidad de la ventilación pulmonar, lo que produce una respiración lenta y poco profunda.

Otro factor que influye en la actividad respiratoria del cerebro son las concentraciones arteriales sistémicas de iones de hidrógeno. El aumento de los niveles de dióxido de carbono puede conducir a un aumento de los niveles de H +, como se mencionó anteriormente, así como a otras actividades metabólicas, como la acumulación de ácido láctico después de un ejercicio intenso. Los quimiorreceptores periféricos del arco aórtico y las arterias carótidas detectan los niveles arteriales de iones de hidrógeno. Cuando los quimiorreceptores periféricos detectan niveles de pH decrecientes o más ácidos, estimulan un aumento en la ventilación para eliminar el dióxido de carbono de la sangre a un ritmo más rápido. La eliminación de dióxido de carbono de la sangre ayuda a reducir los iones de hidrógeno, aumentando así el pH sistémico.

Los niveles de oxígeno en sangre también son importantes para influir en la frecuencia respiratoria. Los quimiorreceptores periféricos son responsables de detectar grandes cambios en los niveles de oxígeno en sangre. Si los niveles de oxígeno en sangre bajan bastante (alrededor de 60 mm Hg o menos), los quimiorreceptores periféricos estimulan un aumento de la actividad respiratoria. Los quimiorreceptores solo pueden detectar las moléculas de oxígeno disuelto, no el oxígeno que está unido a la hemoglobina. Como recordará, la mayor parte del oxígeno se une a la hemoglobina cuando los niveles de oxígeno disuelto disminuyen, la hemoglobina libera oxígeno. Por lo tanto, se requiere una gran caída en los niveles de oxígeno para estimular los quimiorreceptores del arco aórtico y las arterias carótidas.

El hipotálamo y otras regiones del cerebro asociadas con el sistema límbico también influyen en la regulación de la respiración al interactuar con los centros respiratorios. El hipotálamo y otras regiones asociadas con el sistema límbico participan en la regulación de la respiración en respuesta a las emociones, el dolor y la temperatura. Por ejemplo, un aumento de la temperatura corporal provoca un aumento de la frecuencia respiratoria. Sentirse emocionado o la respuesta de lucha o huida también resultará en un aumento de la frecuencia respiratoria.

Trastornos del sistema respiratorio: apnea del sueño

La apnea del sueño es un trastorno crónico que puede ocurrir en niños o adultos y se caracteriza por el cese de la respiración durante el sueño. Estos episodios pueden durar varios segundos o varios minutos y pueden diferir en la frecuencia con la que se experimentan. La apnea del sueño conduce a un sueño deficiente, que se refleja en los síntomas de fatiga, siestas vespertinas, irritabilidad, problemas de memoria y dolores de cabeza matutinos. Además, muchas personas con apnea del sueño experimentan sequedad de garganta por la mañana después de despertarse, lo que puede deberse a ronquidos excesivos.

Hay dos tipos de apnea del sueño: apnea obstructiva del sueño y apnea central del sueño. La apnea obstructiva del sueño es causada por una obstrucción de las vías respiratorias durante el sueño, que puede ocurrir en diferentes puntos de las vías respiratorias, dependiendo de la causa subyacente de la obstrucción. Por ejemplo, los músculos de la lengua y la garganta de algunas personas con apnea obstructiva del sueño pueden relajarse excesivamente, lo que hace que los músculos empujen hacia las vías respiratorias. Otro ejemplo es la obesidad, que es un factor de riesgo conocido para la apnea del sueño, ya que el exceso de tejido adiposo en la región del cuello puede empujar los tejidos blandos hacia el lumen de las vías respiratorias, provocando el estrechamiento de la tráquea.

En la apnea central del sueño, los centros respiratorios del cerebro no responden adecuadamente al aumento de los niveles de dióxido de carbono y, por lo tanto, no estimulan la contracción del diafragma y los músculos intercostales con regularidad. Como resultado, la inspiración no ocurre y la respiración se detiene por un período corto. En algunos casos, se desconoce la causa de la apnea central del sueño. Sin embargo, algunas afecciones médicas, como el accidente cerebrovascular y la insuficiencia cardíaca congestiva, pueden dañar la protuberancia o el bulbo raquídeo. Además, algunos agentes farmacológicos, como la morfina, pueden afectar los centros respiratorios, provocando una disminución de la frecuencia respiratoria. Los síntomas de la apnea central del sueño son similares a los de la apnea obstructiva del sueño.

El diagnóstico de apnea del sueño generalmente se realiza durante un estudio del sueño, donde el paciente es monitoreado en un laboratorio del sueño durante varias noches. Se controlan los niveles de oxígeno en sangre, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la presión arterial del paciente, al igual que la actividad cerebral y el volumen de aire que se inhala y exhala. El tratamiento de la apnea del sueño comúnmente incluye el uso de un dispositivo llamado máquina de presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP) durante el sueño. La máquina de CPAP tiene una máscara que cubre la nariz, o la nariz y la boca, y fuerza el aire a las vías respiratorias a intervalos regulares. Este aire presurizado puede ayudar a forzar suavemente las vías respiratorias para que permanezcan abiertas, lo que permite que se produzca una ventilación más normal. Otros tratamientos incluyen cambios en el estilo de vida para bajar de peso, eliminar el alcohol y otras drogas que promueven la apnea del sueño y cambios en la posición del sueño. Además de estos tratamientos, los pacientes con apnea central del sueño pueden necesitar oxígeno suplementario durante el sueño.


Cada respiración que tomas: el proceso de respirar explicado

La respiración es fundamental para la vida, ya que permite que el cuerpo humano obtenga la energía que necesita para mantenerse a sí mismo y sus actividades. pero como funciona?

Abstracto

La respiración utiliza procesos químicos y mecánicos para llevar oxígeno a todas las células del cuerpo y eliminar el dióxido de carbono. Nuestro cuerpo necesita oxígeno para obtener energía para alimentar todos nuestros procesos de vida. El dióxido de carbono es un producto de desecho de ese proceso. El sistema respiratorio, con sus zonas de conducción y respiratoria, lleva aire del ambiente a los pulmones y facilita el intercambio de gases tanto en los pulmones como dentro de las células. Las enfermeras necesitan un conocimiento sólido de cómo funciona la respiración y de los signos vitales de la respiración y los patrones de respiración, para poder cuidar a los pacientes con problemas respiratorios y potencialmente salvar vidas en situaciones agudas.

Cita: Cedar SH (2018) Cada respiración que tomas: el proceso de respirar explicado. Tiempos de enfermería [en línea] 114: 1, 47-50.

Autor: SH Cedar es profesor asociado y lector de biología humana en la Escuela de Salud y Atención Social de la Universidad London South Bank, y autor de Biología para la salud: aplicación de las actividades de la vida diaria.

Introducción

La primera pregunta que se hace en una situación de emergencia es: "¿Está respirando la persona?". También suele ser la primera pregunta que se hace sobre los recién nacidos y la última sobre los moribundos. ¿Por qué es tan importante respirar? ¿Qué hay en el aliento que tanto necesitamos? ¿Qué pasa cuando dejamos de respirar? Estas pueden parecer preguntas obvias, pero los mecanismos de la respiración a menudo se entienden mal y su importancia en las evaluaciones y diagnósticos de salud a menudo se pasa por alto. Este artículo describe la anatomía y fisiología de la respiración.

Colaborando con plantas verdes

Necesitamos energía para alimentar todas las actividades de nuestro cuerpo, como contraer los músculos y mantener un potencial de reposo en nuestras neuronas, y tenemos que trabajar para obtener la energía que utilizamos.

Las plantas verdes toman su energía directamente de la luz solar y la convierten en carbohidratos (azúcares). No podemos hacer eso, pero podemos usar la energía almacenada en los carbohidratos para alimentar todas las demás reacciones en nuestro cuerpo. Para hacer esto, necesitamos combinar azúcar con oxígeno. Por lo tanto, necesitamos acumular tanto azúcar como oxígeno, lo que nos obliga a trabajar. De hecho, gastamos gran parte de nuestra energía en obtener el azúcar y el oxígeno que necesitamos para producir energía.

Obtenemos carbohidratos de plantas verdes o animales que han comido plantas verdes y obtenemos oxígeno del aire. Las plantas verdes liberan oxígeno como un producto de desecho de la fotosíntesis. Usamos ese oxígeno para alimentar nuestras reacciones metabólicas, liberando dióxido de carbono como un producto de desecho. Las plantas utilizan nuestro producto de desecho como fuente de carbono para los carbohidratos.

Romper enlaces químicos

Para obtener energía debemos liberar la energía contenida en los enlaces químicos de moléculas como los azúcares. Los alimentos que comemos (como carbohidratos y proteínas) se digieren en nuestro tracto gastrointestinal en moléculas (como azúcares y aminoácidos) que son lo suficientemente pequeñas como para pasar a la sangre. La sangre transporta los azúcares a las células, donde las mitocondrias rompen sus enlaces químicos para liberar la energía que contienen. Las células necesitan oxígeno para poder realizar ese proceso. Como todas las células de nuestro cuerpo necesitan energía, todas necesitan oxígeno.

La energía liberada se almacena en un compuesto químico llamado trifosfato de adenosina (ATP), que contiene tres grupos fosfato. Cuando necesitamos energía para realizar una actividad, el ATP se descompone en difosfato de adenosina (ADP), que contiene solo dos grupos fosfato. Romper el enlace químico entre el tercer grupo fosfato y el ATP libera una gran cantidad de energía.

Respiración interna y externa

Nuestros pulmones suministran oxígeno del aire exterior a las células a través de la sangre y el sistema cardiovascular para que podamos obtener energía. A medida que inhalamos, el oxígeno ingresa a los pulmones y se difunde en la sangre. Se lleva al corazón y se bombea a las células. Al mismo tiempo, los desechos de dióxido de carbono de la descomposición de los azúcares en las células del cuerpo se difunden en la sangre y luego se difunden de la sangre a los pulmones y se expulsan al exhalar. Un gas (oxígeno) se intercambia por otro (dióxido de carbono). Este intercambio de gases tiene lugar tanto en los pulmones (respiración externa) como en las células (respiración interna). La figura 1 resume el intercambio de gases en humanos.

Llevando aire a los pulmones

Nuestro sistema respiratorio comprende una zona de conducción y una zona respiratoria. La zona de conducción lleva aire del entorno externo a los pulmones a través de una serie de tubos a través de los cuales viaja el aire. Estos son los:

  • Cavidad nasal
  • Faringe (parte de la garganta detrás de la boca y la cavidad nasal),
  • Laringe (laringe),
  • Tráquea (tráquea)
  • Bronquios y bronquiolos.

Además de conducir aire a los pulmones, estos tubos también:

  • Calienta el aire entrante
  • Filtra pequeñas partículas de él.
  • Humedezca para facilitar el intercambio de gases en los pulmones.

La cavidad nasal tiene una gran cantidad de capilares diminutos que llevan sangre caliente a la nariz fría. El calor de la sangre se difunde en el aire frío que entra por la nariz y lo calienta.

El revestimiento de la faringe y la laringe (que forman el tracto respiratorio superior) y el revestimiento de la tráquea (tracto respiratorio inferior) tienen células pequeñas con pequeños pelos o cilios. Estos pelos atrapan pequeñas partículas en el aire, como el polvo, y evitan que lleguen a los pulmones.

El revestimiento de la cavidad nasal, el tracto respiratorio superior y el tracto respiratorio inferior contiene células caliciformes que secretan moco. El moco humedece el aire a medida que entra, lo que lo hace más adecuado para el entorno interno del cuerpo. También atrapa partículas, que los cilios luego barren hacia arriba y lejos de los pulmones para que se traguen al estómago para su digestión, en lugar de quedar atrapadas en los pulmones. Este mecanismo de mover partículas atrapadas de esta manera se conoce como escalera mecánica mucociliar.

Los pulmones son un poco como globos: no se inflan por sí mismos, solo lo hacen si se les sopla aire. Podemos soplar en los pulmones e inflarlos, que es una de las dos técnicas que se utilizan para la reanimación cardiopulmonar, pero eso no sucede en la vida diaria normal de las personas sanas. Tenemos que inhalar y exhalar aire por nosotros mismos. ¿Como hacemos eso?

Controlar el volumen de aire en los pulmones.

Tenemos dos pulmones (derecho e izquierdo) contenidos en la cavidad torácica (tórax). Alrededor de los pulmones hay costillas, que no solo los protegen del daño, sino que también sirven como anclas para los músculos intercostales. Debajo de los pulmones hay un gran músculo en forma de cúpula, el diafragma. Todos estos músculos están unidos a los pulmones por las membranas parietal y visceral (también llamadas pleura parietal y visceral).

La membrana parietal está adherida a los músculos y la membrana visceral está adherida a los pulmones. El líquido entre estas dos membranas, el líquido pleural, las une al igual que los paneles de vidrio se pegan cuando se mojan.

Como la membrana visceral cubre los pulmones y forma parte de ellos, y el líquido pleural se adhiere a la membrana parietal, cuando los músculos del tórax se mueven, los pulmones se mueven con ellos. Si entra aire entre las membranas, se despegan y, aunque los músculos aún pueden contraerse y relajarse, ya no están unidos al pulmón; como resultado, el pulmón colapsa. Esta acumulación anormal de aire en el espacio pleural se llama neumotórax. Si el líquido del líquido pleural se infecta, la persona desarrolla pleuresía.

Cuando los músculos intercostales se contraen, se mueven hacia arriba y se alejan de la cavidad torácica. Cuando el diafragma se contrae, desciende hacia el abdomen. Este movimiento de los músculos hace que los pulmones se expandan y se llenen de aire, como un fuelle (inhalación). Por el contrario, cuando los músculos se relajan, la cavidad torácica se vuelve más pequeña, el volumen de los pulmones disminuye y se expulsa aire (exhalación).

Presión de igualación

Cuando los músculos torácicos se contraen, el volumen de los pulmones se expande, por lo que de repente hay menos presión dentro de ellos. El aire que ya está en los pulmones tiene más espacio, por lo que no empuja las paredes pulmonares con la misma presión. Para igualar la presión, el aire entra rápidamente hasta que la presión es la misma dentro y fuera. Por el contrario, cuando los músculos se relajan, el volumen de los pulmones disminuye, el aire en los pulmones tiene menos espacio y ahora está a alta presión, por lo que el aire se expulsa hasta que la presión se iguala. En breve:

  • Cuando el volumen (V) aumenta, la presión (P) disminuye, lo que hace que el aire ingrese a los pulmones; inhalamos
  • Cuando V disminuye, P aumenta, lo que hace que el aire salga de los pulmones; exhalamos.

El intercambio de gases

El trabajo de la zona de conducción es llevar aire a los pulmones mientras se calienta, humedece y filtra en el camino. Una vez que el aire está en la zona respiratoria (compuesta por los conductos alveolares y los alvéolos), puede tener lugar el intercambio externo de gases (Fig 2).

Los pulmones contienen capas delgadas de células que forman sacos de aire llamados alvéolos, cada uno de los cuales está rodeado por capilares sanguíneos pulmonares que están vinculados a las arterias pulmonares que salen del corazón. Los alvéolos se mantienen abiertos mediante secreciones líquidas (surfactante pulmonar) para que no se peguen cuando se expulsa aire de los pulmones. Los bebés prematuros no tienen suficiente surfactante pulmonar, por lo que necesitan que se les rocíe un poco en los pulmones.

Durante la inhalación, cada alvéolo recibe aire que contiene varios gases: nitrógeno (casi el 80%), oxígeno (casi el 20%) y otros gases, incluido el dióxido de carbono al 0,04%. Luego tiene lugar el intercambio gaseoso externo, utilizando el principio de difusión:

  • El oxígeno se difunde desde los alvéolos hacia los capilares pulmonares porque hay una alta concentración de oxígeno en los pulmones y una baja concentración en la sangre.
  • El dióxido de carbono se difunde desde los capilares pulmonares hacia los alvéolos porque hay una alta concentración de dióxido de carbono en la sangre y una baja concentración en los pulmones.
  • El nitrógeno se difunde en ambos sentidos.

En otras palabras: inhalamos altas concentraciones de oxígeno que luego se difunden de los pulmones a la sangre, mientras que altas concentraciones de dióxido de carbono se difunden de la sangre a los pulmones y exhalamos. Una vez en la sangre, el oxígeno se une a la hemoglobina en los glóbulos rojos, se toma a través de la vena pulmonar hasta el corazón, se bombea al sistema vascular sistémico y, finalmente, se lleva a todas las células del cuerpo.

Controlar la respiración

La principal señal de que no estamos respirando no es tanto la falta de oxígeno como la acumulación de dióxido de carbono. Cuando nuestros músculos realizan actividades, el oxígeno se agota y el dióxido de carbono, el producto de desecho, se acumula en las células. El aumento de la actividad muscular significa un mayor uso de oxígeno, una mayor producción de ATP formador de glucosa y, por lo tanto, un aumento de los niveles de dióxido de carbono.

El dióxido de carbono se difunde de las células a la sangre. La sangre desoxigenada es transportada por las venas hacia el corazón. Entra en el lado derecho del corazón y se bombea al sistema pulmonar. El dióxido de carbono se difunde hacia los pulmones y se expulsa al exhalar.

Mientras que la sangre desoxigenada viaja por las venas, los detectores en el cerebro y los vasos sanguíneos (quimiorreceptores) miden el pH de la sangre. The peripheral chemoreceptors – although sensitive to changes in carbon dioxide levels and pH, as well as oxygen levels – mainly monitor oxygen. The central chemoreceptors, located in the brain constitute the control centres for breathing, as they are especially sensitive to pH changes in the blood. As carbon dioxide levels rise, blood pH falls this is picked up by the central chemoreceptors and, through feedback mechanisms, signals are sent to alter breathing.

Altering breathing

We change our breathing to match our activity. When we move skeletal muscles, we use energy and therefore need more sugar and oxygen. Muscles have a good blood supply, bringing oxygen and glucose and taking away carbon dioxide. As muscles move more – for example, if we go from walking to running – the heart pumps faster (increased heart rate) to increase the blood supply and we breathe more quickly (increased respiratory rate) to get more oxygen into the blood.

The respiratory rate can be increased or decreased to suit the amount of oxygen needed. To increase the respiratory rate, effectors in the lungs are triggered to ventilate (inhale and exhale) faster, so carbon dioxide is removed and oxygen brought in more quickly. At the same time, the brain sends messages to the heart to beat faster, pumping oxygenated blood to the cells more quickly. The depth of breathing can also be altered so that a larger or smaller volume of air is taken into the lungs.

Respiratory rate is one of the respiratory vital signs (Box 1). To diagnose any respiratory problem, these vital signs need to be measured at rest and at work (Cedar, 2017). Respiratory rate is hard to measure, because when patients are told it is going to be measured, they usually start to breathe slower or faster than normal. It may be beneficial for nurses to tell patients that they are going to measure their temperature, and then measure their respiratory rate at the same time.

Box 1. Vital signs of breathing

  • Respiratory rate (RR) – number of breaths taken per minute. Adults breathe in and out approximately 12-18 times per minute
  • Tidal volume (TV) – amount of air inhaled and exhaled per breath (about 500ml in adults)
  • Expiratory reserve volume (ERV) – volume of air that can be exhaled after normal breathing
  • Inspiratory reserve volume (IRV) – volume of air that can be inhaled after normal breathing
  • Residual volume (RV) – the air that remains in the lungs the lungs are never completely empty, otherwise they would collapse and stick together
  • Lung capacities (depth and volume of breathing), which can be measured using a spirometer:
    • Vital capacity = ERV + TV + IRV
    • Inspiratory capacity = TV + IRV
    • Functional residual capacity = ERV + RV
    • Total lung capacity = RV + ERV + TV + IRV

    Accurately measuring breathing rate and depth at rest gives a key measure of pulmonary function and oxygen flow. Changes in breathing rate and depth at rest not only tell us about physical changes in the body, but also about mental and emotional changes, as our state of mind and our feelings have an effect on our breathing.

    A lifetime of breathing

    Our respiratory vital signs not only change during the course of one day according to our activities, but also during the course of our lifetimes.

    Before birth, the embryo and then the foetus draw oxygen from the mother’s blood through the placenta. Haemoglobin changes take place to enable the embryo/foetus to take oxygen from blood at lower concentration than it will find in the air after birth. Immediately after birth, the newborn has to switch from drawing oxygen from the blood to inflating its lungs and taking air into them (Schroeder and Matsuda, 1958 Rhinesmith et al, 1957).

    Babies have a much faster heart rate and respiratory rate than adults: they take about 40 breaths per minute because they have smaller lungs (Royal College of Nursing, 2017). Heart rate and respiratory rate slow down with advancing age, partly because the lungs become less able to expand and contract. Becoming less elastic with age, all our muscles – not only skeletal muscle but also smooth muscle and cardiac muscle – reduces the speed at which they expand and contract (Sharma and Goodwin, 2006).

    When we die, one of the signs of death is the cessation of breathing. Oxygen stops diffusing into the blood and, as ATP is used up and we are unable to synthesise more, we become cyanotic. We run out of energy and all of the body’s processes cease. In the brain, the potential difference (measured in volts) becomes the same inside and outside the neurons, and electrical activity stops. The brain ceases all activity, including the involuntary activity that is needed to sustain life.

    Respiratory conditions

    Health professionals are likely to encounter patients with breathing problems in any setting. Common respiratory conditions are:

    • Asthma – often caused by certain chemicals or pollution, asthma affects the bronchioles, which become chronically inflamed and hypersensitive
    • Chronic obstructive pulmonary disorder – often caused by smoking or pollution
    • Pneumonia – usually caused by a bacterial infection, pneumonia is the swelling of tissues in one or both lungs
    • Lung cancers – the predominant tissue in the lungs is epithelial tissue, so lung cancers are mostly carcinomas (squamous cell carcinomas, adenocarcinomas, small cell carcinomas), which are cancers of epithelial tissue.

    Lung disease can appear at any age but susceptibility increases with age because, as we age:

    • The elasticity of our lungs decreases
    • Our vital capacity decreases
    • Our blood-oxygen levels decrease
    • The stimulating effects of carbon dioxide decrease
    • There is an increased risk of respiratory tract infection.

    Respiratory emergencies

    Patients who are rapidly deteriorating or critically ill must be assessed immediately, and nursing interventions can go a long way to ensure recovery (Fournier, 2014). In an acute situation, one of the first interventions is to ensure the airways (upper respiratory tract) are clear so air can be drawn into the lungs. This is the first step of the ABCDE checklist. ABCDE stands for:

    The ABCDE approach is outlined in more detail here.

    An inability to breathe normally is extremely distressing and the more distressed a person becomes, the more likely it is that their breathing will be compromised. If one of our lungs collapses, we can manage without it, but we do need at least one functioning lung. We have about 90 seconds worth of ATP stored in our bodies, which we constantly use, so we need to be able to get oxygen.

    A solid understanding of vital respiratory signs, as well as human breathing patterns (Box 2) is key. Armed with such know-ledge, nurses can react quickly to acute changes, potentially saving lives and restoring health (Fletcher, 2007).

    Box 2. Breathing patterns

    • Regular breathing: breaths are similar in amplitude, duration, wave shape and frequency
    • Irregular breathing: breaths vary in one or more of the following: amplitude, duration, wave shape and frequency
    • Hypopnea: breathing at reduced breath (tidal) volume and/or frequency
    • Apnoea: cessation of breathing
    • Periodic breathing: a sequence of several breaths followed by apnoea, then a sequence of breaths, then apnoea, and so on
    • Cheyne-Stokes breathing: similar to periodic breathing breath amplitude starts low and gradually increases, then decreases to apnoea, and the pattern repeats

    Source: Adapted from Neuman (2011)

    Puntos clave

    • Energy in our bodies is obtained by breaking the chemical bonds in molecules
    • Oxygen sourced from the air is a vital ingredient in the process of energy synthesis
    • The respiratory system is designed to facilitate gas exchange, so that cells receive oxygen and get rid of carbon dioxide
    • Breathing changes throughout the day according to our activities
    • In an acute situation, one of the first interventions is to check the airways are clear so air can be drawn into the lungs

    Cedar SH (2017) Homeostasis and vital signs: their role in health and its restoration. Tiempos de enfermería 113: 8, 32-35.

    Fletcher M (2007) Nurses lead the way in respiratory care. Tiempos de enfermería 103: 24, 42.

    Fournier M (2014) Caring for patients in respiratory failure. American Nurse Today 9: 11.

    Neuman MR (2011) Vital signs. IEEE Pulse 2: 1, 39-44.

    Rhinesmith HS et al (1957) A quantitative study of the hydrolysis of human dinitrophenyl(DNP)globin: the number and kind of polypeptide chains in normal adult human hemoglobin. Revista de la Sociedad Química Estadounidense 79: 17, 4682-4686.

    Royal College of Nursing (2017) Standards for Assessing, Measuring and Monitoring Vital Signs in Infants, Children and Young People. London: RCN.

    Schroeder WA, Matsuda G (1958) N-terminal residues of human fetal hemoglobin. Revista de la Sociedad Química Estadounidense 80: 6, 1521.

    Sharma G, Goodwin J (2006) Effect of aging on respiratory system physiology and immunology. Clinical Interventions in Aging 1: 3, 253-260.


    Mostrar / ocultar palabras para saber

    Concentration: in chemistry the ratio of the mass or volume of one substance (solute) in the mass or volume of a solvent. For example saline is a concentration of salt (solute) in water (solvent).

    Diffuse: to spread out.

    Molecule: a chemical structure that has two or more atoms held together by a chemical bond. Water is a molecule of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2O). más

    Paleozoic: period (era) in geological time from 544 million to 230 million years ago. más

    Respiratory: process related to respiration (the action of breathing). The respiratory system is responsible for movement of gases in and out of animals. más

    Tráquea: in animals such as humans, a large tube that is the main passage for moving air to and from the lungs. The windpipe. In insects fine tubes that move air directly to tissues. más


    Ask a scientist: Why do we breathe out carbon dioxide?

    When we take a breath, we pull air into our lungs that contains mostly nitrogen and oxygen. When we exhale, we breathe out mostly carbon dioxide. Why do we do this?

    Our bodies need oxygen to function. After we take a breath, the lungs transfer oxygen to our blood to be transported all over our bodies to help our cells work. Think about it — when you are running, you breathe more heavily to get more oxygen. Oxygen helps our cells work harder by breaking down the nutrients we get from food like sugars. With sugars and oxygen, our cells can create the energy they need to function.

    This process also produces carbon dioxide. The carbon dioxide produced is a waste product and needs to be removed. Just like oxygen, carbon dioxide is transferred to blood to be carried to the lungs, where it is removed and we breathe it out. This is important because if we couldn’t remove carbon dioxide from our blood, it would take up all the carrying capacity of our blood and we wouldn’t be able to get oxygen to the rest of our body. This is another reason you breathe heavier when exercising — you produce carbon dioxide faster and need to get it out of your body to make room for more oxygen.

    Fun fact: Plants use the carbon dioxide we breathe out and create the oxygen we breathe in!


    Resumen

    Hemoglobin is a protein found in red blood cells that is comprised of two alpha and two beta subunits that surround an iron-containing heme group. Oxygen readily binds this heme group. The ability of oxygen to bind increases as more oxygen molecules are bound to heme. Disease states and altered conditions in the body can affect the binding ability of oxygen, and increase or decrease its ability to dissociate from hemoglobin.

    Carbon dioxide can be transported through the blood via three methods. It is dissolved directly in the blood, bound to plasma proteins or hemoglobin, or converted into bicarbonate. The majority of carbon dioxide is transported as part of the bicarbonate system. Carbon dioxide diffuses into red blood cells. Inside, carbonic anhydrase converts carbon dioxide into carbonic acid (H2CO3), which is subsequently hydrolyzed into bicarbonate (HCO − 3) and H + . The H + ion binds to hemoglobin in red blood cells, and bicarbonate is transported out of the red blood cells in exchange for a chloride ion. This is called the chloride shift. Bicarbonate leaves the red blood cells and enters the blood plasma. In the lungs, bicarbonate is transported back into the red blood cells in exchange for chloride. The H + dissociates from hemoglobin and combines with bicarbonate to form carbonic acid with the help of carbonic anhydrase, which further catalyzes the reaction to convert carbonic acid back into carbon dioxide and water. The carbon dioxide is then expelled from the lungs.


    Ver el vídeo: El sistema respiratorio del cuerpo humano para niños - Smile and Learn (Diciembre 2021).