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La Respiración: Un Complejo proceso de Intercambio Gaseoso

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El ser humano vive sumergido en un mar de aire. Sin él, la vida no sería posible ya que es un recurso natural indispensable para el desarrollo de la vida en la Tierra. De los gases que lo componen, el oxígeno resulta imprescindible para el mantenimiento de las funciones vitales del hombre. Por ello, este elemento no debe faltarle a ningún ser humano, de lo contrario, se vería afectado el buen desarrollo del individuo.
El pulmón humano contiene unas vías aéreas de conducción, con afilamiento progresivo, que originándose en la glotis terminan en la matriz de la delgada pared alveolar. Esta matriz alveolar es una rica red de capilares que originadas en la arteriolas pulmonares terminan en la vénulas pulmonares.

 

 

A.      INTERCAMBIO GASEOSO DIFUSIÓN

La difusión es un fenómeno físico, por el que una sustancia disuelta es capaz de atravesar una membrana que separa dos disoluciones.  La difusión de las moléculas disueltas, en este caso el O2 o el CO2, se produce de la disolución que tenga mayor concentración (hipertónica) hacia la de menor (hipotónica) y cesa cuando se alcanza el equilibrio (isotónica).
La presión de gas es una fuerza que impulsa a moverse y salir del que lo rodea, siempre pasan las moléculas del lugar donde hay mayor presión a donde hay menor presión. La zona se conoce como difusión y no gasta energía. El proceso de difusión utiliza la totalidad de la superficie de la membrana respiratoria.

 

Factores de los que depende la magnitud de la difusión de un gas:

  1. Depende del área de la membrana respiratoria, cuanto mayo sea a cantidad durante un enfisema, menos será la superficie de interacción
  2. Cuanto mayor sea el gradiente de presión entre un lado y otro de la membrana respiratoria, mayor será la difusión
  3. Cuanto más delgada sea la membrana, más difusión habrá. Si se padece pulmonía, los alveolos estarán ocupados por un líquido, aumentando la distancia.
  4. Cuanto mayor sea la solubilidad del gas en la membrana respiratoria, mayor será la difusión. El CO2 es 20 veces más soluble que el O2  en la membrana respiratoria
  5. Un gas difunde en la membrana respiratoria aproximadamente a la inversa de la raíz cuadrada de su peso molecular

 

 

Cambios en la presión parcial de O2 y PCO2 a su paso desde la atmósfera hasta la sangre arterial.

 

 

1. En los tejidos

En los tejidos, la difusión de gases se produce en función de lo señalado anteriormente. Es una difusión pasiva. La presión parcial de oxígeno en los tejidos es menor que la presión parcial de dióxido de carbono, la hemoglobina está cargada de oxígeno. Así, reacciona con el dióxido de carbono y el agua, desplazando al oxígeno y saliendo éste al tejido (efecto Haldane). De este modo, el pH es más ácido por el aumento de protones debido a que el aumento de CO2 en el eritrocito provoca que se genere mucho bicarbonato e iones.
El paso de CO2 a bicarbonato se produce rápidamente en el eritrocito, con lo cual el pH ácido se genera dentro del eritrocito y el bicarbonato está fuera. La salida del bicarbonato se produce por el desplazamiento del cloruro. A nivel plasmático la concentración de anhidrasa carbónica es muy pequeña, pero existe en los tejidos, de modo que el dióxido de carbono entra rápidamente en el eritrocito.

 

 

2. En los pulmones

En el pulmón la presión parcial de oxígeno es más elevada, el pH es básico y hay pocos protones en el exterior. Igualmente se produce una difusión pasiva. Debido a la diferencia de presión parcial, el bicarbonato sale de la hemoglobina y por el aumento de la cantidad de bicarbonato en el pulmón, la la reacción se desplaza a la izquierda, por lo que el bicarbonato se rehidrata generando CO2 que se expulsa al epitelio respiratorio.Al salir el bicarbonato el oxígeno se une a la hemoglobina.
En la pared de los vasos del pulmón existe una cantidad determinada de anhidrasa carbónica que ayuda a que el equilibrio se alcance más rápido, por esta razón el bicarboanto pasa rápidamente a CO2 que es liberado.

 

 

B.      PRESIONES PARCIALES DE LOS GASES

 

1. Presión de dióxido de carbono (CO2)

Existe un doble efecto:

 

2. pH

La hemoglobina puede unir H+ donde une el oxígeno, así cuando el pH es muy bajo y por tanto la concentración de H+ es alta, el oxígeno es desplazado, modificándose también la afinidad de la hemoglobina. Esto es lo que se llama efecto Bohr. De este modo, el pH vuelve a subir, esto se produce en vertebrados: al oxigenarse la hemoglobina aumenta la acidez.
En los gasterópodos que poseen hemocianina: al bajar el pH, se produce un efecto Bohr inverso, esto es debido al distinto entorno en el que se habita.  También se da en peces,cefalópodos y crustáceos, pero en este caso al bajar el pH, baja la capacidad por el oxígeno y se llama efecto ROOT.

 

 

3. 2,3-difosfoglicerato

Es una molécula equimolar con la hemoglobina. Tiene el mismo efecto que el pH, el CO2 y la temperatura: disminuyen la capacidad de retener el oxígeno en la molécula de hemoglobina. Sirve de tampón a la hemoglobina transportando oxígeno, de este modo evita valores altos de la presión parcial de oxígeno, que pueden ser tóxicas. También es útil para tamponar el efecto de la hemoglobina en condiciones normales como el buceo o las alturas elevadas.
En situaciones de hipoxia, que se producen cuando la presión parcial de oxígeno es baja, la concentración de 2,3-difosfoglicerato aumenta para facilitar la liberación de oxígeno. El 2,3-difosfoglicerato se produce durante la glucólisis, lo cual favorece que en situaciones de ejercicio físico (donde la glucólisis proporciona energía) el oxígeno se libere más fácilmente de la hemoglobina.

 

 

4. Dióxido de carbono

Se transporta en la hemoglobina y disuelto en el plasma en forma de bicarbonato, de manera que existe mayor cantidad de CO2 en forma de bicarbonato que molecular, una proporción de 20:1. La reacción que provoca la generación de bicarbonato se da en el plasma de forma natural y muy lentamente, y en el eritrocito (glóbulo rojo) se produce mediante la enzima anhidrasa carbónica que acelera la combinación del dióxido de carbono con el agua para dar ión bicarbonato y protones. Los inhibidores de la enzima anhidrasa carbónica se usan como diuréticos.
La concentración de bicarbonato es mayor en el eritrocito que en el plasma, sin embargo, el anión bicarbonato está cargado negativamente, lo que supone un inconveniente para la salida del bicarbonato del eritrocito. Para compensar esta carga y poder facilitar la salida del bicarbonato, se crea un gradiente de cloruro que entra en el eritrocito. Este mecanismo se llama Desplazamiento del cloruro, de este modo la molécula de hemoglobina mantiene la neutralidad eléctica. Esta es la causa de que la cantidad de cloruro en la hemoglobina sea mayor en la sangre venosa que procede de los tejidos.
El dióxido de carbono interfiere en el transporte de oxígeno. La producción de bicarbonato genera iones H+, que disminuyen el pH, facilitando que la hemoglobina desprenda el oxígeno, del mismo modo, la elevada concentración de dióxido de carbono en los tejidos favorece que la hemoglobina libere las moléculas de oxígeno. El dióxido de carbono, a veces, reaccionacon el NH2 de las proteínas produciendo enlaces carbamínicos y viajando con ellas.
Cuando la sangre está oxigenada, los protones de la hemoglobina salen para que pueda unirse al oxígeno molecular (O2) con lo que baja el pH exterior. Así se modifca el equilibrio entre el dióxido de carbono y el ión bicarbonato, con lo que se genera CO2. Cuando la sangre está desoxigenada, sale oxígeno de la hemoglobina, y como ésta sin oxígeno es básica, retiene los protones y hace de amortiguador para evitar que los protones salgan de ella y acidifiquen el medio exterior, generándose ión bicarbonato dentro del eritrocito. Este es el efecto Haldane.
A la hemoglobina oxigenada se le llama oxihemoglobina y la la desoxigenada desoxihemoglobina, cuando la hemoglobina contiene CO2 se le llama carboxihemoglobina.

 

 

C.      OTROS FACTORES QUE AFECTAN EL INTERCAMBIO GASEOSO

 

 

 

D.      TRANSPORTE DE OXÍGENO POR LA SANGRE

 

El oxígeno es transportado tanto físicamente disuelto en la sangre (3%) como combinado químicamente con la hemoglobina en los eritrocitos (97%). En condiciones normales es mucho más el oxígeno transportado en combinación con la hemoglobina que físicamente disuelto; ya que la hemoglobina se combina con grandes cantidades de oxígeno cuando la P 02 es alta y luego libera el oxígeno cuando la PO 2 es baja.

  1. Oxígeno disuelto: La cantidad disuelta es proporcional a la presión parcial (Ley de Henry). Por cada mm Hg de PO2 hay 0,003ml de O2/100ml de sangre. Así la sangre arterial normal, con una PO2 de 100mm Hg contiene 0,3ml O2/100ml. Por lo que esta manera de transportar O2 es inadecuada para el ser humano.
  2. Curva de disociación de oxígeno: El oxígeno se combina de manera muy reversible con la hemoglobina (Hb) formando oxihemoglobina: O2 + Hb ? HbO2

Sabiendo que 0,003ml de oxígeno se disuelven en 100ml de sangre por mm Hg de PO2, calculamos la cantidad de oxígeno combinado con la Hb. La cantidad de oxígeno que transporta la Hb aumenta hasta una PO2 de 50mm Hg, pero a PO2 más alta la curva se aplana mucho más. La capacidad de oxígeno es la cantidad máxima de oxígeno capaz de combinarse con la Hb. Un gramo de Hb pura se combina con 1,39ml de 02; por lo que la sangre normal tiene 15g de Hb/100ml, la capacidad de oxígeno es de unos 20,8mm de O2/100ml de sangre.
La cantidad máxima de oxígeno transportado por la hemoglobina es de unos 20ml de oxígeno por 100ml de sangre.
La curva de disociación de la oxihemoglobina que aparece en la figura de abajo muestra un incremento progresivo del porcentaje de hemoglobina que está unida con el oxígeno conforme aumenta la PO 2 en la sangre, lo que se denomina: porcentaje de saturación de la hemoglobina. Prácticamente todo el oxígeno transportado en la sangre arterial lo hace unido a la hemoglobina, proteína sintetizada en las últimas fases de la producción de los eritrocitos en la médula ósea roja. La hemoglobina humana normal (hemoglobina A) consiste en una molécula de una proteína llamada globina (constituída por 574 aminoácidos) que tiene 4 brazos a cada uno de los cuales se une una molécula de hemo (pigmento conteniendo un anillo de porfirina al que se une un átomo de hierro). En un adulto normal, la sangre contiene unos 150 gr de hemoglobina por litro. Cada gramo de hemoglobina puede combinarse con 1.34 ml. de oxígeno, con lo que 1 litro de sangre combina aproximadamente 200 ml. de O2 (100% de saturación de hemoglobina).

 

 

E.      OXIHEMOGLOBINA

 

La unión del oxígeno a la hemoglobina depende de la presión parcial de oxígeno existente en ese momento. La relación existente entre unión del O2 a la hemoglobina y su presión parcial se llama curva de equilibrio hemoglobina-oxígeno y se determina experimentalmente.
La oxihemoglobina o hemoglobina oxigenada (HbO2) es la hemoglobina cuando está unida al oxígeno, dando el aspecto rojo intenso característico de la sangre arterial. Cuando pierde el oxígeno, se denomina hemoglobina reducida, y presenta el color rojo oscuro de la sangre venosa. La hemoglobina tiene 2 subunidades de cadenas polipéptidas: subunidad α y la subunidad β, cada una con dos cadenas polipéptidas. Cada cadena polipéptida (globina) está unida a un anillo HEM, el cual tiene en su interior una molecula de hierro. El O2 se asocia a la molécula de hierro del anillo HEM. Con una menor concentracion de Ox (Ox representa X moleculas de O2 ) la Hb no suelta el Ox ( curva de disociación de la oxihemoglobina ), a medida que la oxihemoglobina se acerca a las celulas del cuerpo, empieza a soltar el Ox

La unión del oxígeno a la hemoglobina está relacionada con varios factores fisiológicos:

  1. La unión con el oxígeno es reversible: hemoglobina –> oxihemoglobina –> hemoglobina.
  2. La reacción del oxígeno con la hemoglobina es muy rápida (del orden de milisegundos)

La forma S (sigmoide) de la curva es debida al cambio de forma de la molécula de la hemoglobina cuando se han unido oxígeno a 3 de los grupo hemo A. Funcionalmente, esta curva permite que el oxígeno se combine con la hemoglobina en los pulmones incluso con bajas presiones alveolares de oxígeno y sea liberado en los capilares incluso a altas presiones parciales.

 

 

F.      TRANSPORTE DEL DIOXÍDO DE CARBONO POR LA SANGRE

 

El transporte de bióxido de carbono plantea al organismo un problema especial por el hecho de que cuando este gas se disuelve, reacciona reversiblemente con agua para formar ácido carbónico. Las célula del hombre en reposo elaboran unos 200 ml de bióxido de carbono por minuto. Si esta cantidad tuviese que disolverse en el plasma (el cuál sólo puede llevar en solución 4.3 ml CO2 por litro),la sangre tendría que circular a razón de 47 litros por minuto en vez de cuatro o cinco.
Además dicha cantidad de bióxido de carbono daría a la sangre un Ph de 4.5,condición imposible, pues las células únicamente viven dentro de un corto margen en el lado alcalino de la neutralidad (entre 7.2 y 7.6).
El dióxido de carbono difunde en un una dirección exactamente opuesta a la del oxígeno y unas veinte veces más rápido. El dióxido de carbono es transportado en la sangre en solución física (7%), combinado químicamente con los aminoácidos de las proteínas sanguíneas (23%) y en forma de bicarbonato (70%).

  1. CO2 disuelto: obedece a la Ley de Henry, pero el CO2 es unas 20 veces más soluble que el O2. El 10% del gas extraído en el pulmón de la sangre venosa mixta se halla en su forma disuelta.
  2. Bicarbonato: CO2 + H2O ? H2CO3 ? H + HCO3 La primera reacción es muy lenta en el plasma pero muy rápida dentro del glóbulo rojo por la enzima anhidrasa carbónica. Cuando se eleva la concentración de iones de hidrógeno y bicarbonato en la célula, el HCO3 se difunde hacia el exterior, pero el H no puede hacerlo con facilidad porque la membrana celular es relativamente impermeable a los cationes. Para que se mantenga un equilibrio hay un desplazamiento de cloruro, los iones Cl se difunden hacia el interior de la célula desde el plasma; jalando agua. Algunos de los iones H que se liberan se fijan a la Hb porque la Hb reducida es mejor aceptor de protones que la forma oxigenada. Por lo que la Hb reducida en la sangre periférica contribuye a la captación de CO2 mientras que la oxigenación que ocurre en el capilar pulmonar contribuye a su descarga (Efecto de Haldane).
  3. Compuestos Carbamínicos: Se forman al combinarse el CO2 con los grupos amino terminales de las proteínas sanguíneas. La proteína más importante es la globina de la hemoglobina. La Hb reducida fija mucho más CO2 que la HbO 2; también la descarga de O2 en los capilares periféricos facilita la carga de CO2 mientras que la oxigenación tiene el efecto contrario (Efecto de Haldane).

 

 

CONCLUSIÓN

Por medio de la realización de este trabajo hemos podido conocer el funcionamiento fisiológico de los pulmones y como se produce el intercambio gaseoso en los alvéolos, realizando la salida y entrada de componentes químicos importantes para realizar la respiración: el CO2 y Oxígeno.
La adecuada comprensión del funcionamiento de la respiración, nos hace conciencia sobre el cuidado e higiene de este órgano tan valioso para la vida.

 

 

BIBLIOGRAFÍA

 

Sistema respiratorio

Alvéolos

Intercambio gaseoso desde el alvéolo a los capilares

El órgano de la Respiración

La difusión del CO2 y del oxígeno en los Alveolos

Citar este texto en formato APA: _______. (2010). WEBSCOLAR. La Respiración: Un Complejo proceso de Intercambio Gaseoso. https://www.webscolar.com/intercambio-gaseoso. Fecha de consulta: 22 de noviembre de 2024.

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