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Vivimos en un planeta con una atmosfera establecida por una serie de gases. Dentro de ellos, el oxígeno constituye uno de los más importantes para la vida, puesto que participa indispensablemente en la respiración celular oxigénica.

El aparato respiratorio, en sus distintas formas, es el encargado

de captar el oxígeno atmosférico y entregarlo a la circulación.

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El aparato respiratorio

Para comprender el funcionamiento del aparato respiratorio debemos citar la composición de

la atmosfera terrestre. La atmosfera del planeta tierra está constituida principalmente por Nitrógeno gaseoso (N2), Oxígeno y otros gases en menor cantidad.

El aire que utilizamos para respirar contiene un 78% de N2, 21% de O2 y 1% de otros gases

como Argón, CO2, etc. En esta guía estudiaremos como el organismo logra intercambiar gases y repasaremos el

cómo otros organismos que no poseen pulmones pueden respirar.

Generalidades anatómicas del aparato respiratorio humano

El aparato respiratorio es un conjunto heterogéneo de órganos diseñado para poder

captar el oxígeno gaseoso del aire, incorporarlo a la circulación sanguínea y eliminar el CO2 desde la sangre hacia el aire. Sus roles secundarios son aportar en el control del pH y excreción de sustancias tóxicas.

A continuación describiremos los constituyentes anatómicos que posee este aparato para lograr cumplir esta función.

▪ La cavidad nasal (nariz)

La nariz es una estructura ubicada sobre la cavidad bucal, formada por huesos, mucosas y cartílago, en donde comienza el aparato respiratorio. Externamente se aprecia por sobresalir de la cara y tener en su zona inferior dos agujeros llamados fosas nasales o narinas. En su interior se encuentra tabicada por un hueso llamado vómer y por cartílago, que juntos forman el tabique nasal. El piso de la nariz está constituido por el paladar duro.

A cada lado de la nariz existen unas protuberancias curvas llamadas meatos nasales o cornetes. En ellos desembocan las cavidades que existen en torno a la nariz llamadas senos paranasales.

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Es importante destacar la existencia de dos capas celulares internas de la cavidad nasal: la pituitaria amarilla, la cual posee las fibras nerviosas que otorgan el sentido del olfato, y la pituitaria roja, que posee abundantes vasos sanguíneos y se encarga de entibiar el aire que ingresa al organismo.

A su vez, cada narina esta tapizada con numerosos vellos y células con cilios (prolongaciones similares a las microvellosidades), con la función de atrapar el polvo y partículas que puedan ser peligrosas para el aparato respiratorio inferior (pulmones).

▪ Faringe y laringe

El tramo de la faringe dedicado solo a la nariz es llamado nasofaringe, que al poco descender se transforma en la orofaringe. El aparato digestivo y respiratorio se conectan gracias a la faringe.

Bajo la raíz de la lengua a partir de la faringe se bifurca un tubo hacia delante llamado laringe. La laringe es un órgano fonético, especializado para producir diferentes sonidos y tonalidades.

Este órgano posee en su inicio un cartílago especial, controlado por el sistema nervioso autónomo (aquél que actúa por sí mismo, sin nuestra influencia) llamado epiglotis. La epiglotis permite que la comida no pase hacia la laringe cuando se deglute.

Bajo la epiglotis se encuentran los dos cartílagos que forman el esqueleto de la laringe: El cartílago tiroides y el cartílago cricoides. Estos dos cartílagos se articulan en su zona trasera para formar una bisagra. Dentro de ellos

se encuentran las cuerdas vocales verdaderas, compuestas de material fibroso. Estas cuerdas pueden variar su tensión dependiendo de la fonación que se les imponga, pues el músculo que las tensa es de control voluntario.

▪ Tráquea

La tráquea comienza dos dedos por sobre el borde superior del esternón. Consiste en un tubo compuesto por anillos semilunares de cartílago que conduce el aire desde la laringe hasta los pulmones.

Este tubo, al igual que la laringe, esta tapizado internamente por células que pueden “barrer” las partículas y el polvo atrapados en el mucus hacia la cavidad oral o nasal, para ser deglutidos involuntariamente. Técnicamente esa característica se denomina “epitelio ciliado”.

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▪ Bronquios primarios

Los bronquios primarios son la bifurcación de la tráquea a nivel de dos dedos por debajo del borde superior del esternón. Existe un bronquio derecho, más corto, y uno izquierdo, más largo. Los bronquios conducen el aire desde la tráquea hacia los pulmones.

▪ Pulmones

Los pulmones son órganos complejos, ubicados bajo la jaula torácica (y ocupando gran parte de ella). Dentro de ellos los bronquios sufren divisiones hasta transformarse en unidades microscópicas y muy finas capaces de realizar el intercambio gaseoso: los alvéolos. Las ramificaciones bronquiales subsiguientes a los bronquios primarios, hasta llegar a los alveolos, consisten en:

Bronquios primarios Bronquios secundarios Bronquios terciarios Bronquiolos Sacos alveolares Alveolos

La característica destacable de estas ramificaciones es que las túnicas formantes de estos

tubos van desapareciendo a medida que se van ramificando. Así, los bronquios terciarios tienen menos cartílago que los primarios, los bronquiolos tienen muy poco cartílago, y es irregular. Los alvéolos no poseen cartílago.

Los pulmones están rodeados por dos capas que secretan un liquido entre ellas llamada pleura. Esta capa reduce la posible fricción a causa de la constante expansión y contracción pulmonar.

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▪ Los alvéolos

El alveolo es el lugar donde se lleva a cabo la hematosis. Es análogo a un globo: casi esférico cuando se infla. Tiene solo una membrana fina formada por unas células llamadas neumocitos I (<neumos> pulmón, <cito> célula: célula del pulmón). Esta membrana está rodeada por capilares, los cuales tienen solo una membrana de endotelio que es muy fina. De esa manera, el espacio entre el aire y el eritrocito es mínimo, permitiendo que los gases difundan por gradiente de presión.

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No son los pulmones los que permiten la entrada de aire hacia ellos, sino que es el tórax

quien permite dicha dinámica, que será analizara en el siguiente punto.

Dinámica fisiológica de la respiración en vertebrados superiores

Para que la respiración pueda ocurrir, los pulmones deben llenarse de aire. Se mencionó que esa dinámica ocurre gracias al tórax. Los fenómenos físicos que rigen este proceso son las diferencias de presión.

El tórax es una región formada por huesos (12 costillas, el tramo torácico de la columna

vertebral y el esternón) y músculos (diafragma, músculos intercostales y músculos de la espalda). El fenómeno fisiológico que permite la respiración es que la caja torácica se encuentra

aislada de la cavidad abdominal, por lo tanto el movimiento de músculos puede hacer cambiar la presión que se encuentra en su interior.

Y es, de hecho, esa la clave de la respiración: el tórax puede generar una presión

negativa respecto a la presión atmosférica. Por las leyes físicas, el aire tenderá a moverse donde hay una menor presión, por lo tanto con la generación de presión negativa el aire entrará a los pulmones.

¿Quiénes son los responsables de la generación de la presión negativa? La respuesta

son dos músculos: el diafragma y los músculos intercostales. El diafragma es un músculo que forma el piso hermético del tórax. Cuando se contrae

tiende a moverse hacia la cavidad abdominal, generando una presión negativa. Cuando se relaja, vuelve a su posición normal, haciendo que el aire del tórax salga.

Los músculos intercostales internos y externos también participan de la respiración. Los

intercostales externos elevan las costillas, expandiendo la cavidad torácica. Los intercostales internos tienden a bajar las costillas, lo que aumenta la presión dentro del tórax y ayuda a expulsar el aire.

Existen músculos accesorios de la respiración, como los escalenos y los serratos. No son

tópico de la PSU, por lo que no nos adentraremos en ellos. En resumen, la presión negativa del torax se genera por expansión de la caja torácica y la

restitución de la presión normal es causada por la contracción de la misma.

▪ Etapas de la respiración

1. Contracción simultanea del diafragma y de los intercostales externos. La caja torácica aumenta su volumen, y al ser hermética su presión se torna negativa con respecto a la atmosférica.

2. El aire entra a los pulmones, expandiéndolos. 3. Se relajan el diafragma y los intercostales externos. Se contraen los intercostales

internos. La presión del tórax ahora es positiva con respecto a la atmosférica, por lo que el aire es expulsado.

Las primeras dos etapas corresponden a la inspiración, mientras que la tercera

corresponde a la espiración. El control de este ciclo es en su mayoría autónomo, sin embargo tiene influencias voluntarias en ciertas ocasiones.

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INSPIRACION ESPIRACION DATO PUNTAJE

El intercambio gaseoso y el transporte de gases

El intercambio gaseoso o hematosis se define como la entrega de ciertos gases y la captación de otros, para poder transportarlo. Este intercambio se da en dos lugares de los organismos pluricelulares: en el lugar donde existe contacto con el aire y en los tejidos.

Nos enfocaremos en describir a los organismos que poseen eritrocitos. Recordando la guía

anterior, los eritrocitos tienen cantidades elevadas de una proteína cuaternaria llamada hemoglobina.

Esta proteína tiene cuatro subunidades con un grupo hemo en el centro de cada una. Un

grupo hemo es un grupo especial que solo poseen algunas proteínas (como la clorofila y los citocromos) consistente en un anillo proteico con un átomo especial en su centro. En la clorofila ese átomo especial es magnesio, y en la hemoglobina es un átomo de hierro.

¿Sabías que la superficie

total de los alvéolos es

equivalente a una cacha

de tenis?

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Ese átomo de hierro es el que permite transportar Oxígeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono, y es el que transforma a la hemoglobina en una proteína muy especial. Al tener cuatro de esos átomos, la eficiencia que tiene es asombrosa.

La hemoglobina cuando transporta gases adquiere diferentes nombres, que es necesario

mencionar:

Combinación Nombres

Hemoglobina + O2 Oxihemoglobína

Hemoglobina + CO2 Carbaminohemoglobina

Hemoglobina + CO Carboxihemoglobina

El intercambio gaseoso ocurre en base a las diferencias de presiones de gases específicos. Es algo muy parecido al gradiente de concentración de un soluto. A continuación explicaremos cómo ocurre este intercambio.

En los pulmones la presión de O2 (pO2) es mayor que la sangre que llega a los alvéolos por

las arterias pulmonares y la presión de CO2 (pCO2) es menor que la sangre que llega a los alveolos. Por lo tanto, en base a:

pO2 capilar < pO2 pulmonar pCO2 capilar > pCO2 pulmonar

El CO2 se liberará de la hemoglobina y difundirá hacia el aire de los pulmones, mientras

que el O2 difundirá hacia los eritrocitos para formar oxihemoglobina. El intercambio gaseoso en los pulmones ha terminado, expulsándose el CO2 y captándose el O2.

La sangre oxigenada ahora desemboca en vénulas que formarán las venas pulmonares.

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Cuando esa sangre llegue a los tejidos ocurrirá otro intercambio gaseoso, en donde las condiciones son:

pO2 capilar > pO2 tisular pCO2 capilar < pCO2 tisular

En base a la misma regla anterior, el oxígeno tenderá a difundir hacia los tejidos y el

dióxido de carbono hacia los eritrocitos, siendo captada una parte de él por la hemoglobina para formar carbaminohemoglobina.

Esta sangre pobre en O2 y rica en CO2 viajará nuevamente a los pulmones, donde el ciclo

se repetirá.

Una característica interesante de la hemoglobina es su curva de saturación, que en condiciones normales es menos afín por el O2 cuando es escaso y es más afin cuando se encuentra en abundancia.

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La mioglobina es una proteína similar a una subunidad de la hemoglobina que tiene una mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina. Al encontrarse solo en el músculo, suministra oxígeno cuando éste escasea.

▪ El monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono o CO es una molécula generada a raíz de la combustión incompleta de un hidrocarburo, principalmente en los vehículos.

El problema con este gas, inodoro e incoloro, es que la Hb tiene 210 veces mayor afinidad por él que para el O2, por lo que este gas “se fija” a la hemoglobina, disminuyendo el nivel de oxigeno que llega a los tejidos (Hb libre para captar O2)

En base a su enorme afinidad, altos niveles de carboxihemoglobina (40% de Hb total) causan la muerte por hipóxia (falta letal de oxígeno).

▪ Transporte de CO2

El O2 viaja casi en su totalidad unido a hemoglobina, por lo que no detallaremos su transporte. Sin embargo, el CO2 viaja de diferentes maneras. Las tres formas de transportar el CO2 corresponden a:

- En forma de carbaminohemoglobina - Como CO2 disuelto (la minoría) - Como ion bicarbonato (la mayoría).

¿Cómo se obtiene bicarbonato desde el CO2? La respuesta se contesta con la presencia

de una enzima especial: La anhidrasa carbónica.

Esta enzima es capaz de transformar el CO2 y H2O en bicarbonato. La reacción química de este proceso consiste en:

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La reacción primero forma ácido carbónico (H2CO3) y luego este se disocia en un ión

bicarbonato y un protón. Esta reacción tiende a acidificar la sangre (por el aumento del pH, debido a su vez por el aumento de la concentración de H+) y es por esa razón que el aumento de concentración de CO2 estimula los detectores de acidez, haciendo que la frecuencia cardiaca y respiratoria aumenten para eliminar el exceso de CO2.

Adaptaciones del organismo a situaciones con poco oxígeno.

El organismo tiene diversas maneras de adaptar su situación cuando se encuentra en lugares con poco oxígeno. Sin embargo, estos mecanismos dependen de la cantidad de hemoglobina que se encuentre libre para recibir oxígeno. Eso guarda relación con los lugares en los que escasea el oxígeno pero abundan gases tóxicos para el organismo, como el monóxido de carbono.

En el caso de las alturas, donde la presión de oxígeno es menor, el organismo tarda unos días en adaptarse a dicha situación. El organismo comienza a sintetizar un mayor número de eritrocitos, con el objetivo de aprovechar mejor el poco oxigeno que existe.

Junto con lo anterior, se agudizan los mecanismos para aprovechar dicho oxígeno y reducir los efectos de la presencia de CO2.

Los efectos inmediatos de ubicarse en un lugar a gran altura se conoce como “apunarse”, y consiste en mareos, desmayos, acidosis metabólica (producto del poco O2) y fatiga.

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La respiración en otros organismos

▪ Respiración en peces

Los peces y algunos anfibios cuentan con un

sistema llamado respiración branquial, consistente en un sistema de membranas que ponen en contacto los capilares respiratorios con el agua, en donde puede ocurrir el intercambio de gases.

El agua se mueve a través de estas membranas, captando el CO2 de los capilares pobres en O2 y permitiendo a los eritrocitos captar O2 del agua.

Cabe señalar que las ballenas no poseen este sistema, puesto que son mamíferos y poseen pulmones.

▪ Respiración en insectos

Los insectos portadores de exoesqueleto tienen un mecanismo de respiración primitivo del aparato respiratorio, consistente en tráqueas (tubos análogos a la tráquea de los vertebrados superiores) que conectan el medio externo (a través de una apertura llamada estigma) con las células del organismo a través de múltiples ramificaciones. El intercambio se produce por difusión, sin diferencias de presión.

Los insectos inferiores, como los geohelmintos (p. ej. Lombrices) respiran a través de poros en su piel.

▪ Respiración en plantas

Las plantas, además de necesitar incorporar CO2 para la fotosíntesis requieren incorporar O2 para su metabolismo mitocondrial. Para ello utilizan unos poros llamados estomas, que responden a la acción del acido abscísico (una hormona vegetal) para abrirse.

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A través de conductos llamados

traqueidas, los gases (entre ellos el O2) viajan hasta las células donde son requeridos. Al mismo tiempo se expulsa parte del CO2 desecho y agua (para generar potencial hídrico y absorber agua en las raíces).

Las hormonas vegetales y su dinámica

serán analizadas en la guía de Sistema Endocrino.

Ejemplo de ejercicio PSU:

MC En el altiplano, la presión parcial de oxígeno en el aire es menor que a nivel del mar.

¿Qué opción describe correctamente los mecanismos de adaptación a la altura de una persona que se traslada al altiplano?

a) Disminuye el contenido de hemoglobina en los glóbulos rojos, lo que permite un

mejor intercambio de oxígeno y anhídrido carbónico en la altura. b) Se incrementa el número total de células sanguíneas, lo que permite aumentar la

concentración de oxígeno en la sangre. c) Aumenta el número de glóbulos rojos y de hemoglobina, lo que produce un

aumento de la capacidad total de la sangre para transportar oxígeno d) Disminuye la neurotransmisión a nivel muscular, lo que reduce la actividad física

realizada y produce aletargamiento. e) Aumenta la cantidad de proteínas disueltas en el plasma, lo que disminuye el nivel de

anhídrido carbónico de la hemoglobina

Extraído del modelo oficial de ciencias DEMRE, 2008.

La respuesta correcta en este caso es la alternativa c).

La alternativa a) es incorrecta, debido a que si disminuye el contenido de hemoglobina en los eritrocitos disminuiría la capacidad total de transportar oxígeno, y en una condición en la cual escasea el organismo busca aumentar su capacidad. La alternativa b) es incorrecta debido a que la única manera de aumentar la concentración de oxígeno en la sangre es produciendo más eritrocitos. Recuerda que las células sanguíneas también se componen de leucocitos. La alternativa c) es la correcta porque destaca el aumento de la capacidad total del transporte de O2 aumentando el número de eritrocitos y de hemoglobina. La alternativa d) no sucede bajo las condiciones planteadas en el problema, sino que es más común verlo bajo condiciones de inanición. La alternativa e) es muy improbable que suceda.

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Tip PSU Recuerda intentar establecer el enlace con el Sistema Cardiovascular y las adaptaciones

conjuntas ante diferentes demandas. Debes dominar el proceso y la dinámica del intercambio gaseoso y conocer como otros organismos pueden respirar.