Intercambio de gases en humanos

El mecanismo de la ventilación en el intercambio gaseoso

Para que el intercambio de gases se produzca con eficacia, el aire entra y sale continuamente del pulmón en un proceso denominado ventilación o respiración. El movimiento del aire se debe al cambio de presión dentro de los pulmones, creado por el movimiento del diafragma y los músculos intercostales (situados entre las costillas).

La ventilación puede dividirse en dos fases: Inspiración (inspiración) y espiración (espiración).

Inspiración

La inspiración es un proceso activo que reduce la presión dentro del pulmón, haciendo que el aire fluya hacia dentro. Estos son los principales acontecimientos que se producen durante la inspiración:

• Los músculos intercostales internos se relajan.

• Los músculos intercostales externos se contraen para mover las costillas hacia arriba y hacia fuera.

• El diafragma se contrae y se aplana.

Los músculos intercostales internos y externos actúan para aumentar el volumen dentro del tórax. La ley de Boyle establece que, a una temperatura fija, el volumen del gas es inversamente proporcional a la presión ejercida por el gas. Por tanto, el aumento del volumen del tórax provoca un descenso de la presión en el interior de los pulmones. Como la presión atmosférica es superior a la presión pulmonar, el aire entra en los pulmones.

Espiración

La espiración silenciosa es un proceso pasivo. Los pulmones y el tórax vuelven pasivamente a su posición original tras la inspiración debido a su retroceso elástico natural. La espiración se vuelve activa sólo cuando la demanda de intercambio gaseoso es elevada, por ejemplo, durante el ejercicio o las actividades físicas. Los principales acontecimientos que se producen durante la espiración son los siguientes

• Los músculos intercostales externos se relajan.

• Los músculos intercostales internos se contraen, moviendo las costillas hacia abajo y hacia dentro. (Sólo durante la espiración activa)

• El diafragma se relaja y recupera su forma de cúpula.

Como resultado, el volumen pulmonar disminuye durante la espiración, lo que hace que la presión pulmonar supere a la atmosférica, expulsando el aire fuera de los pulmones.

Fig. 1 - Mecanismo de las contracciones musculares durante la inspiración y la espiración

Medición de la tasa de ventilación pulmonar

La tasa de ventilación pulmonar puede medirse multiplicando el volumen corriente por la frecuencia respiratoria. El volumen corriente y la frecuencia respiratoria se miden por separado.

• Volumen corriente: se mide con un respirómetro.
• Frecuencia respiratoria: número de respiraciones por minuto contadas.

$Pulmonaryventilationrate(d{m}^3.{min}^{-1})=tidalvolume(d{m}^3)\times respiratoryrate({min}^{-1})$

Intercambio gaseoso en los alvéolos

Los alvéolos son sacos diminutos del pulmón que están en estrecho contacto con la sangre. Los alvéolos están rodeados de fibras de colágeno y elastina, que permiten a los sacos de aire estirarse y expandirse durante la respiración. Están revestidos de un epitelio unicelular (epitelio escamoso simple) que permite un intercambio rápido de gases entre el aire y la sangre. Losalvéolos están rodeados de capilares densos, muy estrechos y revestidos de una sola capa de células endoteliales.

El intercambio de gases en los seres humanos se produce en el epitelio de los alvéolos pulmonares. Las superficies de intercambio requieren características específicas para permitir una transferencia eficaz de materiales entre los organismos y el medio, y los alvéolos no son una excepción. Estas características incluyen:

1. Corta distancia de difusión

2. Gran superficie

3. Membrana parcialmente permeable

4. Gradiente de difusión mantenido

Características de los alvéolos para un intercambio de gases eficaz

El oxígeno y el dióxido de carbono deben difundirse a través de las paredes alveolares y capilares en direcciones opuestas durante el intercambio gaseoso.

Los alvéolos tienen paredes muy finas. Están recubiertos por un epitelio escamoso simple de una sola célula de grosor. Los capilares sanguíneos que rodean a los alvéolos también son muy finos y su endotelio tiene una célula de grosor. Por tanto, los gases tienen que difundirse a corta distancia, lo que aumenta la velocidad y la eficacia del intercambio gaseoso.

Un solo alvéolo es diminuto y tiene una superficie pequeña por sí solo. Pero varios alvéolos juntos tienen una superficie mucho mayor. En cada pulmón humano hay aproximadamente 300 millones de alvéolos con una superficie colectiva de 70${\mathrm{m}}^2$aproximadamente la mitad del tamaño de una pista de tenis. Los alvéolos están rodeados por redes de finos capilares sanguíneos que colectivamente tienen una gran superficie. Esta amplia superficie permite que el intercambio de gases se produzca rápidamente.

El flujo constante de sangre a través de los capilares alveolares y la ventilación continua de aire que entra y sale de los pulmones crean y mantienen un gradiente de concentración pronunciado para el intercambio de gases. Este gradiente para el oxígeno va de los alvéolos a la sangre, mientras que el gradiente para el dióxido de carbono va de la sangre a los alvéolos.

Estas características permiten que en los pulmones se produzca un intercambio de gases rápido y eficaz.

Las principales enfermedades pulmonares que alteran el intercambio gaseoso humano

Diversos trastornos pueden afectar a la pared alveolar u obstruir las vías respiratorias y perjudicar la función de los pulmones. Estas enfermedades incluyen el cáncer de pulmón, la EPOC, el asma y otras.

Cáncer de pulmón

El cáncer se desarrolla cuando las mutaciones alteran el control de la replicación celular, dando lugar a divisiones celulares no reguladas. Los tumores de pulmón se forman cuando mutan los oncogenes o los genes supresores de tumores de las células epiteliales bronquiales. Como resultado, estas células experimentan una replicación celular rápida y no regulada y crean una masa de células anormales e irregulares.

Con el tiempo, el tumor empieza a alterar el funcionamiento normal de los pulmones, por ejemplo constriñendo las arterias y venas pulmonares. Las células cancerosas malignas también se infiltran en el sistema linfático. Entonces pueden desplazarse por los linfáticos y establecer otro tumor en otra parte del cuerpo.

Los pacientes con cáncer de pulmón suelen tener síntomas como tos persistente, tos con sangre o aumento de la mucosidad, pérdida repentina de peso y dificultades respiratorias.

EPOC

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se refiere a enfermedades pulmonares que incluyen el enfisema (dificultad para respirar) y la bronquitis crónica.

Los síntomas de la EPOC son falta de aliento, opresión en el pecho, tos persistente, sibilancias al hacer ejercicio o participar en cualquier actividad física.

El epitelio ciliar de la tráquea y los bronquios pulmonares contiene células caliciformes que producen mucosidad. Los cilios barren el polvo y los microorganismos atrapados en el moco hacia la garganta y los alejan de los pulmones en los individuos sanos. Cuando estos cilios se dañan o dejan de funcionar, la mucosidad se acumula y provoca el estrechamiento de las vías respiratorias.

Fig. 2 - Alvéolos pulmonares sanos y enfermos

Factores de riesgo

Varios factores de riesgo específicos aumentan el riesgo de desarrollar EPOC. Entre ellos se incluyen:

• Tabaquismo - También se sabe que fumar aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de pulmón.

• La contaminación atmosférica.

• Genética (algunas personas son genéticamente más propensas a desarrollar enfermedades pulmonares, mientras que otras lo son menos).

• Infecciones - las infecciones frecuentes de pecho aumentan el riesgo de desarrollar EPOC.

• Ocupación - (trabajar con productos químicos y gases nocivos también aumenta las probabilidades de desarrollar EPOC y cáncer de pulmón).

Asma

Durante un ataque de asma, los músculos que recubren las vías respiratorias de los pulmones se contraen en respuesta a la ansiedad o a partículas extrañas. Esto provoca el estrechamiento de las vías respiratorias y dificulta la respiración. Los asmáticos utilizan inhaladores que contienen salbutamol. Estos inhaladores hacen que se relajen los músculos de las vías respiratorias, con lo que se abren.

Una tríada de factores de riesgo aumenta el riesgo de que una persona desarrolle asma. Esta tríada se denomina tríada de la atopia, e incluye

1. Antecedentes familiares de asma

2. Alergias como la fiebre del heno

3. Eccema

Fig. 3 - Localización de los pulmones y las vías respiratorias en el cuerpo; B: sección transversal de una vía respiratoria normal; C: sección transversal de una vía respiratoria durante los síntomas del asma