RESPIRACIN

Las clulas requieren continuamente oxgeno (O2) para realizar las reacciones metablicas que les permiten captar la energa de las molculas de los alimentos y

producir ATP. Al mismo, tiempo estas reacciones liberan dixido de carbono (CO2).

El exceso de CO2 produce acidez que puede ser txica para las clulas, por lo cual

debe eliminarse de manera rpida y eficaz. Los dos sistemas que contribuyen al

aporte de O2 y eliminacin de CO2 son el cardiovascular y el respiratorio. Este ltimo

realiza el intercambio de gases. La falla de uno u otro altera la homeostasis al

causar la muerte rpida de las clulas por falta de oxgeno y acumulacin de

productos de desecho.

RESPIRACIN.

El trmino respiracin se usa para referirse a dos procesos totalmente diferentes. Uno describe una etapa del metabolismo celular en la que participa un organelo

citoplasmtico denominado mitocondria y que denominaremos respiracin celular. El otro proceso se desarrolla a nivel del sistema respiratorio y consiste en hacer llegar grandes cantidades de aire hacia las superficies respiratorias ubicadas

en los pulmones (alvolos), a fin de realizar rpidamente el intercambio gaseoso

entre la sangre y el medio ambiente, que es lo que conocemos como ventilacin pulmonar. Esta ltima consiste fundamentalmente en movilizar grandes masas de aire hacia los pulmones (inspiracin), y de igual manera movilizar volmenes de aire hacia el exterior (espiracin).

Relacin existente entre la ventilacin pulmonar y la respiracin celular

Las funciones del sistema respiratorio son:

Intercambiar gases respiratorios (O2 y CO2) entre la atmsfera y la sangre, a nivel de los alvolos pulmonares (hematosis).

Controlar el grado de acidez sangunea (pH), mediante la regulacin de la

concentracin de CO2 en la sangre.

Excretar sustancias voltiles nocivas (cuerpos cetnicos, anestsicos, entre otros).

Excretar H2O, lo que ayuda a la regulacin de la temperatura corporal.

Ventilacin pulmonar.

Las estructuras anatmicas involucradas en la respiracin, tal como se han definido,

estn divididas funcionalmente en una porcin conductora, y otra respiratoria

La porcin conductora est formada por un sistema complejo de vas areas que se inicia en las fosas nasales y que se continan en la faringe, laringe y trquea. Esta ltima se subdivide en dos bronquios principales, derecho e izquierdo, cada uno se vuelve a subdividir unas 20 veces, con lo que se forman

bronquiolos de calibres cada vez menores, hasta llegar a los bronquiolos terminales. La porcin conductora no efecta el intercambio gaseoso y es conocido como espacio muerto (unos 150 mL de aire).

La porcin respiratoria la constituyen los bronquiolos respiratorios y los alvolos, los que se encuentran al final de la porcin conductora. Las paredes alveolares son muy delgadas, lo que permite un eficiente intercambio (por difusin simple) de gases (O2 y CO2), proceso denominado hematosis. Por lo mismo, son estructuras extremadamente frgiles que deben ser mantenidas y protegidas de

factores adversos. Las delgadas paredes que separan a alvolos vecinos, presentan

poros que proveen ventilacin colateral, importante en la prevencin del colapso

pulmonar. Cada alvolo est recubierto por un epitelio constituido por dos tipos de

clulas:

los neumocitos tipo I, que constituyen al epitelio respiratorio, y los neumocitos tipo II, clulas secretoras que producen el surfactante

pulmonar, que impide el colapso pulmonar.

Adems, es una regin altamente colonizada por clulas de defensa (Ej.

Macrfagos), que evitan la aparicin de infecciones locales.

Mecnica respiratoria

La ventilacin pulmonar es un proceso mecnico por el cual el aire del ambiente es

obligado a entrar a los pulmones (inspiracin) y luego, el aire alveolar es obligado a salir de ellos (espiracin). Este proceso permite satisfacer tanto la demanda por oxgeno como la de la eliminacin del anhdrido carbnico, por parte de los tejidos

corporales, ya sea durante el estado de reposo (respiracin en reposo) o el de ejercicio fsico (respiracin forzada). Sin embargo, como los pulmones carecen de movimiento propio, el cambio en el volumen pulmonar se logra cuando ellos, pasivamente, siguen los movimientos que los msculos respiratorios le imprimen a

la caja torxica, en los que ellos estn contenidos. En la respiracin en reposo, la

inspiracin es activa y la espiracin es pasiva. En cambio en la respiracin forzada tanto la inspiracin como la espiracin son activas

.

Durante la inspiracin se incrementa la presin negativa de la cavidad pleural, expandiendo el tejido pulmonar

elstico y succionando aire hacia el interior. Durante la espiracin disminuye la presin negativa en la cavidad

pleural, lo que permite que el tejido elstico pulmonar se repliegue y cree una presin positiva dentro de los

pulmones que expulsan aire.

Respiracin en reposo

Respiracin forzada

Volmenes Respiratorios

Cuando respiramos, inspiramos o espiramos unos 500 mL (1/2 L) de aire, que suele

ser denominado volumen corriente (VC). Durante el ejercicio fsico, nuestra respiracin se hace ms profunda y ms acelerada, lo cual permite ingresar mayor

cantidad de aire a nuestros pulmones. Eventualmente, uno podra inspirar unos

3.300 mL de aire adicionales a los 500 mL que solemos inspirar normalmente. Este

volumen adicional es conocido como volumen de reserva inspiratorio (VRI) o volumen complementario. En la situacin opuesta suele ocurrir que de cuando en cuando, espiramos volmenes de aire mayores a los 500 mL que hemos

inhalado tranquilamente. Piense en un bostezo, usted podra espirar un volumen de

aire que se aproxima a los 2 L, lo que significa que ha espirado un volumen

adicional al volumen corriente, de 1200 mL. Este volumen adicional es conocido

como volumen de reserva espiratoria (VRE) o volumen suplementario.

Despus de realizar una inspiracin a nuestra mxima capacidad, podramos llegar

a albergar unos 6 L de aire en nuestros pulmones. Si posteriormente realizsemos

una exhalacin forzada, podramos evacuar unos 4,5 a 5 L de aire. Este ltimo

volumen es nuestra capacidad vital y corresponde a la suma de los volmenes corriente, complementario y suplementario, o sea, 500 mL + 3.300 mL + 1.200 mL lo que da un total de 5.000 mL (5 L). Cierta cantidad de volumen de aire

siempre permanece alojado en nuestros pulmones, para el caso descrito,

correspondera aproximadamente a 1,0 L, y es conocido como volumen residual (VR).

El aire inspirado es diferente al aire espirado en lo que respecta a sus riquezas

porcentuales de oxgeno, dixido de carbono y agua.

Composicin porcentual del aire inspirado y espirado

Intercambio de gases en el pulmn

El grosor de la membrana respiratoria, formada por la membrana del alvolo y la

membrana del capilar, es de aproximadamente 0,2 a 0,6 m (0,0002 a 0,0006

mm). Los gases respiratorios (O2 y CO2), son capaces de difundir a favor de sus

gradientes de concentracin, la que se ve adems favorecida por la gran superficie

disponible para tal efecto, se estima en unos 140 metros cuadrados, entre ambos pulmones, una superficie significativamente mayor a la superficie exterior de

nuestro cuerpo. El resultado final de todo esto es una difusin neta de oxgeno

desde el interior de los alvolos hacia la sangre y una difusin neta de dixido de

carbono desde la sangre hacia el interior de los alvolos.

Caractersticas de la superficie de intercambio de gases a nivel alveolar

Gases respiratorios en la sangre pulmonar y en el aire alveolar.

REGULACIN DE LA RESPIRACIN

La respiracin es un proceso finamente regulado que permite cubrir, en todo

momento, las cambiantes demandas metablicas por parte del organismo en

reposo o durante el ejercicio fsico. Sin embargo, a pesar de lo cambiante que

pudieran ser las necesidades metablicas del organismo, las concentraciones

sanguneas de oxgeno, anhdrido carbnico y de protones, en todo momento, se mantienen prcticamente inalterables.

La respiracin se encuentra regulada por el sistema nervioso mediante un centro respiratorio presente en el tronco enceflico

El tronco enceflico genera y controla el ritmo respiratorio. Al seccionar el tronco en distintos niveles se

revela que el ritmo respiratorio basal se genera en el bulbo raqudeo y es modificado por neuronas

localizadas en la protuberancia o arriba de ella

Centros Respiratorios

Estn constituidos por varios ncleos neuronales ubicados tanto en el bulbo

raqudeo (grupos respiratorios dorsal y ventral) como en la protuberancia anular (centro neumotxico y centro apnustico). Mientras los ncleos del bulbo se encargan de dar ritmicidad a la respiracin (esto es, luego de un movimiento inspiratorio viene otro espiratorio), los ncleos de la protuberancia

anular se encargan de cambiar la frecuencia respiratoria (nmero de inspiraciones por minuto).

Regulacin del ritmo respiratorio

a) Grupo respiratorio dorsal Controla la respiracin normal y es estimulado por los impulsos sensitivos que provienen de quimiorreceptores

centrales (ubicados en el bulbo raqudeo), quimiorreceptores perifricos

(ubicados en la pared de las arterias cartidas y aorta), mecanorreceptores

pulmonares y barorreceptores. Como resultado, el grupo respiratorio dorsal

inicia los movimientos inspiratorios b) Grupo respiratorio ventral Controla la respiracin forzada (que permite

una mayor ventilacin pulmonar) al ser estimulado por el grupo respiratorio

dorsal. Como resultado de ello, el grupo respiratorio ventral inicia los

movimientos inspiratorios y espiratorios

Regulacin de la frecuencia respiratoria Los centros neumotxico y apnustico actan sobre el centro de la ritmicidad respiratoria del bulbo raqudeo (grupos respiratorios dorsal y ventral) modificando el tiempo para la inspiracin respiratoria.

Centro neumotxico:

Su funcin es limitar el tiempo para la etapa de inspiracin originada por

el grupo neuronal dorsal del bulbo raqudeo, de modo que, al generar

inspiraciones breves, aumenta la frecuencia respiratoria.

Centro apnustico:

Su funcin es aumentar el tiempo para la etapa de inspiracin originada

por el grupo neuronal dorsal del bulbo raqudeo, de modo que, al

generar inspiraciones ms profundas, disminuye la frecuencia

respiratoria.

A) Regulacin sobre el centro respiratorio. Existe una variedad de mecanismos regulatorios capaces de modificar la funcin

respiratoria, al actuar sobre el centro respiratorio nervioso del tronco enceflico.

Sabemos, desde nuestra experiencia, que tenemos un control voluntario/

involuntario sobre la respiracin (haz la prueba, pero ahogarte voluntariamente

por dejar de respirar NO lo podrs hacer jams). Por otra parte, existe un

control reflejo del llenado pulmonar, mediado por mecanorreceptores

pulmonares, que impide el excesivo llenado del pulmn. Sin embargo, ms

interesante que ellos, es el control qumico de la respiracin.

Control qumico de la respiracin La finalidad ltima de la respiracin es mantener concentraciones sanguneas

adecuadas de oxgeno, dixido de carbono y protones a nivel tisular. Por ello, no

resulta extrao que la actividad respiratoria responda notablemente a cambios

de cada uno de ellos.

Control qumico directo:

Este control directo lo ejercen las concentraciones de CO2 y protones sanguneos al actuar directamente sobre los quimiorreceptores centrales (ubicados en el bulbo raqudeo), segn lo seala la figura

Se debe hacer notar que, la concentracin de oxgeno sanguneo ejerce una

pobre (o nula) estimulacin de los receptores centrales ubicados en el bulbo

raqudeo. Sin embargo, una brutal cada de la concentracin de oxgeno sangunea, s sera capaz de estimular a los quimiorreceptores perifricos

articos y carotdeos. A menos que esto ltimo suceda, se debe considerar que

el oxgeno NO ejerce un control qumico directo sobre la respiracin.

La respiracin es ms sensible a los aumentos de la concentracin del CO2 en el aire inspirado que a la

disminucin de la concentracin de O2

El organismo utiliza la informacin de retroalimentacin provista por los quimiorreceptores ubicados en los vasos de

gran calibre y en el cerebro para coordinar la frecuencia respiratoria con las demandas metablicas

B) Regulacin de la respiracin durante el ejercicio fsico.

Durante el ejercicio fsico tanto la demanda por oxgeno como la produccin de CO2,

por parte de los tejidos, aumentan hasta casi 20 veces, respecto del estado de reposo. Sin embargo (y sto es lo importante), la concentracin de O2, CO2 y

protones, presentes en la sangre, se mantienen prcticamente sin cambios. Por ello, es difcil responsabilizar a dichos estmulos qumicos de provocar el aumento

en la respiracin, que se observa durante el ejercicio fsico. Actualmente, se cree que el responsable del aumento de la ventilacin pulmonar seran estmulos

nerviosos cerebrales que partiendo de la corteza motora estimularan el centro

respiratorio del tronco enceflico.

Adaptaciones del organismo al esfuerzo

Para satisfacer la demanda metablica durante el ejercicio fsico, se producen

grandes cambios fisiolgicos que afectan tanto a la mecnica ventilatoria (por

estimulacin del centro respiratorio) como a la del sistema cardiovascular (por

estimulacin del centro vasomotor). Por una parte, aumenta la frecuencia

respiratoria y por otra el aporte sanguneo a los rganos en activo metabolismo.

La siguiente tabla muestra el flujo sanguneo en diferentes rganos durante el

reposo y durante dos niveles de actividad fsica (moderado e intenso).

Si te fijas bien, algunos rganos reciben mayor aporte sanguneo durante el

ejercicio que durante el reposo, y otros, en cambio, ven su aporte disminuido. El

riego cerebral, cardaco, pulmonar y renal permanece constante , incluso,

disminuyen, para, as, derivar un mayor riego sanguneo a la piel y los msculos.

PRINCIPALES PATOLOGAS RESPIRATORIAS Asma: Enfermedad que se debe a una reaccin de cierre de los bronquios e inflamacin de la mucosa respiratoria. Se caracteriza por aparecer en episodios, en

los que hay dificultad respiratoria, sensacin de ahogo, silbidos en el pecho y

mucosidad.

Bronquitis: Trastorno en el que se produce una inflamacin de la capa mucosa interna de los bronquios. Suele acompaarse de tos, mucosidad y fiebre. La

exposicin a sustancias irritantes (humo, tabaco) suele ser la causa inicial.

Edema pulmonar: Acumulacin anormal de lquido intersticial en los espacios tisulares y los alvolos de los pulmones, debido a un aumento en la permeabilidad

capilar pulmonar o en la presin capilar pulmonar.

Embolia pulmonar (EP): Obstruccin del flujo de sangre hacia el tejido pulmonar causado por un cogulo sanguneo o un cuerpo extrao que ocluyen la luz de un

vaso arterial pulmonar.

Enfermedad pulmonar obstructiva crnica (EPOC): Trastorno, como bronquitis o enfisema, en el que hay cierto grado de obstruccin de los conductos respiratorios

y en consecuencia, mayor resistencia de las vas respiratorias.

Enfisema: Trastorno pulmonar con desintegracin de las paredes alveolares, lo que genera espacios areos anormalmente grandes y prdida de la elasticidad

pulmonar; por lo regular lo causa la exposicin al humo del cigarrillo.

Neumona: Es la inflamacin del tejido que conforma los pulmones, normalmente por causa de infeccin por Neumococos.

INTERCAMBIO DE GASES EN LAS PLANTAS

El carbono es uno de los elementos determinantes de todos los procesos vitales.

Este tomo forma la estructura bsica de las molculas orgnicas que construyen y

mantienen vivos a los organismos. Como sabemos, este elemento es capaz de

unirse fuertemente con otros tomos de carbono y formar largas y complejas

cadenas que constituyen los elementos bsicos, ladrillos con los que se sostiene

toda la estructura vital. Todos los animales, incluyendo al hombre (hetertrofos),

obtienen el carbono al consumir vegetales (auttrofos), los cuales son los nicos

capaces de asimilarlo mediante el proceso de la fotosntesis, clave para mantener la

vida en la Tierra.

Las plantas terrestres toman de la atmsfera el CO2 que ms tarde integran a las

molculas orgnicas que forman. Este gas entra al vegetal a travs de los estomas,

en la mayora de las plantas fotosintticas, con excepcin de las plantas acuticas

que carecen de ellos y toman el CO2 disuelto en el agua. Al abrir los estomas para

el intercambio de gases, las plantas pierden cierta cantidad de agua en forma de

vapor, por lo que el clima adquiere una importancia relevante como factor

limitante.

Las plantas, al igual que todos los seres vivos, requieren oxidar molculas

orgnicas para extraer de ellas energa, la que habitualmente se obtiene en la

forma de ATP. Este proceso denominado respiracin celular aerbica se efecta en

las mitocondrias, que genera como productos de desecho, CO2 y H2O, los que deben

ser eliminados a travs de los estomas

Adems, los vegetales efectan durante las horas de luz del da, fotosntesis, que

asociamos al organelo cloroplasto. Durante dicho proceso el vegetal genera O2 y

biomolculas. El oxgeno abandona el vegetal a travs de los estomas

En resumen, un vegetal debe efectuar tanto respiracin celular como fotosntesis e intercambiar con su entorno diferentes gases. Un vegetal, libera al ambiente CO2 y

O2, y consume O2 y CO2.

RESPIRACIN CELULAR

Catabolismo de la glucosa

Al quemarse la glucosa en el laboratorio da como productos, CO2, H2O y energa en

forma de luz y calor. En las clulas ocurre la misma combustin pero en mltiples

reacciones, y casi la mitad de la energa queda atrapada en las molculas de ATP y

el resto se libera en forma de calor. La reaccin general es la siguiente:

Etapas de la Respiracin Celular Aerbica

Las mltiples reacciones que ocurren en la clula se organizan en los siguientes

pasos; Gluclisis, oxidacin del piruvato, (formacin del acetil CoA), ciclo de Krebs, transporte de electrones y fosforilacin oxidativa.

Gluclisis: Se realiza en el citosol en ausencia de oxgeno. Como resultado neto a partir de una molcula de glucosa se obtienen, dos molculas de piruvato, dos molculas de ATP y dos molculas de NADH (coenzimas reducidas)

Gluclisis. Aqu la glucosa pierde hidrgenos (se oxida), lo que permite reducir dos coenzimas y adems se obtiene 2

molculas de ATP netos.

Oxidacin del Piruvato o Formacin del Acetil CoA: El piruvato producto de la gluclisis ingresa a las mitocondrias, en esta etapa el piruvato pierde hidrgenos (se oxida), lo que permite reducir al NAD. Adems se descarboxila (pierde carbono), liberndose 2 molculas de CO2 y energa.

Oxidacin del Piruvato o formacin del acetil CoA, este proceso se realiza en las mitocondrias y representan la

conexin entre la gluclisis y el ciclo de Krebs.

Ciclo de Krebs o ciclo del cido Ctrico o de los cidos Tricarboxlicos: El acetil CoA ingresa al ciclo Krebs y es completamente oxidado y descarboxilado (aqu termina de ser oxidado lo que quedaba de la molcula de glucosa inicial).

Ciclo de Krebs. En este ciclo no slo se termina de oxidar la glucosa, adems es una va comn de oxidacin de todas

las molculas combustibles: cidos grasos, glicerol y aminocidos. Tambin provee esqueletos carbonados para la

sntesis de compuestos orgnicos.

Transporte de electrones y fosforilacin oxidativa

En las etapas anteriores se han reducido las coenzimas NAD y FAD, quedando como

NADH y FADH2. Estas coenzimas son oxidadas en la cadena transportadora de

electrones.

En la cadena transportadora, los electrones de alta energa descienden, liberando

energa que se utiliza en ltimo trmino para formar ATP en un proceso llamado quimiosmosis.

En la cadena transportadora, los electrones del FADH2 y NADH que estn siendo

oxidadas, descienden de un nivel de alta energa a niveles inferiores. Esto implica

liberacin de energa. La energa as liberada permite, en ltima instancia, fosforilar

al ADP, es decir, formar ATP. Los electrones en su descenso terminan en el O2, y

junto con los H+ forman H2O.

Fermentacin: La alternativa anaerbica a la respiracin aerbica

Las clulas musculares normalmente utilizan, la respiracin aerbica, obteniendo 38

ATP por molcula de glucosa, pero tambin son capaces de sobrevivir sin O2, con

las dos molculas de ATP de la gluclisis. El inconveniente de utilizar esta va, est

en el suministro de NAD (oxidado), que debe ser capaz de reponer el NADH

(reducido).

Las clulas musculares mantienen el suministro de NAD (oxidado), a costa de la

reduccin del cido pirvico obtenido en la gluclisis. De esta manera, el cido

pirvico queda como cido lctico (lactato). La produccin de cido lctico a partir de la glucosa se denomina fermentacin lctica. Tus msculos producen cido lctico durante el ejercicio rpido, cuando el cuerpo no puede

proporcionar suficiente oxgeno a los tejidos. Cuando hay poco oxgeno, el cuerpo

no puede producir todo el ATP que hace falta. Cuando realizas un ejercicio intenso

como correr, nadar o montar en bicicleta tan rpido como puedes, los msculos

grandes de tus brazos y piernas agotan rpidamente el oxgeno. Las clulas

musculares aceleran su produccin de ATP mediante la fermentacin de cido

lctico. Al acumularse el cido lctico en la musculatura, baja el pH, provocando

dolores musculares (calambres). Es por eso que te duelen los msculos despus de

unos segundos de actividad intensa.

Los organismos unicelulares tambin producen cido lctico como producto de

desecho de la fermentacin. Por ejemplo, los procariotas la utilizan en la produccin

de gran variedad de alimentos y bebidas, como queso y yogur. Los pepinillos

tambin se producen mediante la fermentacin lctica.

Las levaduras tambin utilizan normalmente la va aerbica, pero son capaces de

vivir en ambientes sin oxgeno, realizando la fermentacin alcohlica, en la cual produce etanol y libera CO2.La fermentacin alcohlica ocasiona que suba la masa de pan. Cuando la levadura de la masa se queda sin oxgeno, empieza a fermentar

produciendo burbujas de dixido de carbono que forman las cavidades de aire que

puedes ver en una rebanada de pan. La pequea cantidad de alcohol que se

produce en la masa se evapora al hornear el pan.

A diferencia de las levaduras y las clulas musculares, hay organismos

anaerbicos estrictos, lo que significa que necesitan condiciones anaerbicas y el oxgeno las intoxica.

Reacciones qumicas de la Fermentacin. A. Fermentacin Acido Lctica. B. Fermentacin Alcohlica.

Rendimiento energtico de la oxidacin completa de la glucosa a CO2 y H2O. Se sintetizan 3 molculas de ATP, al

oxidar una molcula de NADH y 2 molculas de ATP al oxidar una molcula de FADH2

Esquema resumen de la Respiracin Celular