RespiraciónSemana 8, Capítulo 39

39.1 Naturaleza de la respiración Las células llevan a cabo

constantemente cientos de reacciones químicas. Todas estas reacciones requieren energía (ATP) y la mayor parte del ATP se produce por respiración celular. Este proceso usa oxígeno como aceptador final en la cascada de electrones y libera bióxido de carbono durante el ciclo de Krebs.

Respiración es el proceso mediante el cual los organismos obtienen oxígeno del medio ambiente y liberan bióxido de carbono.

Concentración de oxígeno La atmósfera se compone de

78 % nitrógeno, 21 % oxígeno, 0.04 % bióxido de carbono y 0.06 % de los demás gases.

A nivel del mar, la atmósfera ejerce una presión de 760 mm de mercurio. La presión y por lo tanto la cantidad de moléculas presentes en un volumen de aire disminuyen con la altura. Por ejemplo, a 30,000 pies la presión de la atmósfera es 251 mm/Hg.

Este alpinista usa una máscara porque la concentración de oxígeno a esa altura es muy baja para su metabolismo.

Fundamentos del intercambio gaseoso

La respiración o intercambio gaseoso depende de la difusión de oxígeno (O2) y bióxido de carbono (CO2) de mayor a menor concentración.

La respiración siempre sucede con los gases disueltos en agua y través de una membrana húmeda. Los factores principales que favorecen la difusión son:• La concentración de los gases a ambos lados de la

membrana.• El área de superficie en comparación con el volumen

interno. Mientras mayor es el área de la membrana, más eficiente es la difusión.

• La velocidad y dirección del movimiento de los gases a ambos lados de la membrana.

Interacción con otros sistemas

Los sistemas del cuerpo se interconectan. Este diagrama presenta la relación de sistema respiratorio con otros sistemas.

Pigmentos respiratorios

En la mayoría de los animales el oxígeno no viaja disuelto en la sangre, sino asociado con un pigmento respiratorio. Estas proteínas tienen una o más moléculas de un metal iónico que se enlaza reversiblemente con las moléculas de oxígeno.

En la sangre de los vertebrados el pigmento respiratorio es hemoglobina, una proteína que contiene hierro. En los músculos hay una variente llamada mioglobina.

Observa la posición de los átomos de hierro cargados positivamente (Fe2+).

39.2 Jadeando por oxígeno

La concentración de oxígeno en la atmósfera se mantiene constante, pero en cuerpos de agua relativamente pequeños puede variar considerablemente con los cambios en temperatura y el consumo de oxígeno por los organismos del ecosistema.

39.2 Jadeando por oxígeno

El exceso de nutrientes en los lagos puede causar una explosión poblacional de productores, seguida por una explosión de descomponedores que consumen todo el oxígeno. Una de las características de la eutrofización de un cuerpo de agua es la mortandad masiva de peces por asfixia. Mortandad masiva de peces en Louisiana

39.3 La respiración en los invertebrados

Entre los invertebrados vemos distintas opciones para llevar a cabo el intercambio gaseoso.

Algunos invertebrados acuáticos, o que viven en lugares muy húmedos, respiran a través de la superficie del cuerpo (respiración integumentaria).

Esponjas

Gusano plano terrestre

Aguaviva

Respiración en las lombrices de tierra

Las lombrices de tierra también usan respiración integumentaria. El animal tiene un sistema circulatorio eficiente y hemoglobina en su sangre (aunque sin eritrocitos). La sangre llega a redes de capilares debajo de la piel húmeda y allí sucede el intercambio gaseoso.

Respiración por braquias

Algunos invertebrados, como los moluscos y los artrópodos acuáticos, intercambian gases a través de órganos filamentosos llamados branquias. La sangre fluye por el interior de los filamentos y el agua circula entre los mismos.

Los peces también usan branquias.

Branquias de un camarón (exoesqueleto removido)

Branquias de un nudibranquio (babosa de mar)

Respiración por tráqueas

Los insectos respiran por un sistema de tráqueas hecho de tubos que se ramifican una y otra vez hasta llegar cerca las células. El sistema circulatorio no juega papel en este sistema. La contracción muscular ventila las tráqueas.

Respiración por pulmones tipo libro

Las arañas y los escorpiones respiran a través de sacos pulmonares (book lungs). El aire circula por espacios dentro de láminas finas y la sangre circula entre las láminas.

La sangre de estos artrópodos contiene el pigmento respiratorio hemocianina.

La molécula de hemocianina contiene cobre en vez de hierro y la sangre oxigenada es azulosa en vez de roja.

Respiración por pulmones

Los caracoles terrestres tinen un pulmón. Por fuera se observa un poro que da acceso al interior. El pulmón es un saco ramificado en cuyas paredes sucede el intercambio gaseoso.

Contracciones musculares expanden y contraen el pulmón para ventilarlo.

39.4 La respiración en los vertebrados- los peces I Los peces respiran mediante branquias. El agua es

succionada por la boca y sale entre los filamentos branquiales. La sangre de los peces tiene eritrocitos con hemoglobina.

Respiración de los peces II Esta ilustración explica con más detalle el flujo de agua

entre los filamentos.

Observa que la sangre fluye por los capilares en una dirección y que el agua fluye entre los filamentos en dirección contraria. Esto aumenta mucho la eficiencia del intercambio gaseoso.

La respiración de los anfibios

Los renacuajos de los anfibios tienen branquias externas. Los adultos respiran a través de la piel húmeda y mediante pulmones. La figura ilustra cómo se ventilan los pulmones.

La respiración de reptiles, aves y mamíferos

Los reptiles, las aves y los mamíferos respiran mediante pulmones.

Las aves tienen el metabolismo más alto entre los vertebrados y el sistema respiratorio más eficiente. Sus pulmones no se expanden y contraen como en los reptiles y los mamíferos.

Los sacos aéreos aumentan el área de superficie del sistema respiratorio y mantienen el aire fluyendo a través de los pulmones.

Flujo de aire a través del sistema respiratorio de las aves

Capilares aéreos en el pulmón de un ave. El intercambio gaseoso sucede entre el aire que fluye por los tubos y la sangre que circula por las paredes.

39.5 El sistema respiratorio humano

Nuestro sistema respiratorio tiene otras funciones además del intercambio gaseoso. Por ejemplo, los receptores para el sentido del olfato están en la cavidad nasal y la vibración de las cuerdas vocales nos permite hablar y cantar.

Vías aéreas

La epiglotis evita que el alimento entre a la tráquea, que se divide en dos bronquios, uno de los cuales entra a cada pulmón. La producción de mucina y el epitelio ciliado capturan la mayoría de las partículas que entran con el aire.

El aire entra por la nariz y fluye por la faringe (garganta) y la laringe. La tensión de las cuerdas vocales determina el tamaño de la glotis o entrada a la tráquea.

De las vías aéreas a los alveolos Dentro de cada

pulmón los bronquios se ramifican hasta formar bronquiolos que llevan aire a los sacos alveolares.

Los alveolos son saquitos de una célula de espesor. El intercambio gaseoso sucede a nivel de las redes de capilares en la pared de los alveolos.

La ventilación de los pulmones Los pulmones son ventilados por la contracción del

diafragma y de los músculos intercostales.

Aunque los músculos intercostales son voluntarios, la mayor parte del tiempo se contraen automáticamente. Aunque el diafragma es de músculo liso, podemos controlarlo voluntariamente.

Las cuerdas vocales

Cuando respiramos la glotis está abierta. Cuando hablamos, los músculos de las cuerdas vocales cambian el tamaño del espacio que las separa y emitimos toda la variedad de sonidos característicos de la voz. Coloca un dedo sobre tu manzana de Adán. Emite

un sonido grave y luego uno agudo. Sentirás cómo los músculos cambian la posición de la laringe.

39.6 Cambios en el volumen de los pulmones

El acto de inhalar y exhalar una vez se conoce como el ciclo respiratorio.

Cuando respiramos normalmente, los pulmones intercambian como 0.5 litros de aire. Cuando inhalamos y exhalamos forzosamente podemos mover unos 2.7 litros.

A diferencia del sistema respiratorio de las aves, donde el aire fluye a través de los pulmones, en los mamíferos siempre se mezcla aire nuevo con aire residual. Sin embargo, como la atmósfera tiene 21% de oxígeno el sistema provee suficiente oxígeno para nuestras necesidades.

Capacidad de los pulmones

CapacidadvitalVolumen de corriente

(tidal volume)

Capacidad pulmonar total

Volumen de inhalación forzada

Volumen de exhalación forzada

Volumen residual

La maniobra Heimlich Esta maniobra, descrita por Henry Heimlich en el 1974,

tiene el propósito de empujar hacia arriba el diafragma para que el aire expulse objetos alojados en la tráquea. La maniobra puede causar daño interno, pero la asfixia puede causar la muerte.

Control de la respiración El ritmo respiratorio es

producto de unos 10 a 14 impulsos nerviosos generados cada minuto por un núcleo de células en la médula oblongada que se conoce como el centro respiratorio.

Quimiorecepores en la médula, en las arterias carótidas y en la aorta detectan cambios químicos en la sangre y ajustan el patrón de respiraciones.

39.7 Intercambio y transporte de gases El oxígeno y el bióxido de carbono se mueven por

difusión entre el aire presente en los alveolos y la sangre presente en las redes de capilares que los rodean. Los gases tienen que pasar a través de tres membranas: epitelio alveolar, epitelio del capilar y las membranas basales fundidas de ambos.

Transporte de oxígeno La concentración de oxígeno es alta en los alveolos y las

moléculas de este gas se unen con los átomos de hierro de la molécula de hemoglobina para formar oxihemoglobina (HbO2). En los tejidos la concentración de oxígeno es baja y HbO2 libera oxígeno para convertirse nuevamente en Hb.

Grupo heme. En el centro están los átomos de hierro dondeenlaza el oxígeno.

Mioglobina En las células del músculo cardiaco

y de algunos músculos esqueléticos se almacena mioglobina, un pigmento parecido a hemoglobina pero compuesto por una sola cadena.

La mioglobina tiene mayor afinidad por las moléculas de oxígeno que la hemoglobina y por lo tanto sirve como almacén o reserva de oxígeno. Cuando el músculo se ejercita y el sistema circulatorio no suple de momento el oxígeno que necesita, la mioglobina lo suelta para que siga sucediendo respiración celular.

Molécula de mioglobina

Transporte de bióxido de carbono El bióxido de carbono que producen las células se

transporta hasta los pulmones de tres formas.• 10% disuelto en el plasma• 30% unido a las moléculas de hemoglobina como

carbamino hemoglobina (HbCO2)

• 60% como ión bicarbonato (HCO3-)

La enzima anhidrasa carbónica cataliza la formación de bicarbonato en la sangre:

• CO2 + H2O → H2CO3 → HCO3- + H+

ácido carbónico

ión bicarbonato

El peligro del monóxido de carbono

El monóxido de carbono (CO) es peligroso porque se enlaza con los átomos de hierro de la hemoglobina y no permite el transporte de oxígeno. Como no tiene olor, la persona puede intoxicarse lentamente hasta perder el conocimiento y morir por asfixia. En los EU mueren unas 500 personas anualmente por envenamiento con monóxido de carbono, la mayoría accidentalmente y algunas por suicidio.

39.8 Trastornos y enfermedades respiratorias - ronquidos

Los ronquidos suceden cuando una obstrucción bloquea el flujo normal del aire. Esto hace que la úvula y el paladar blando vibren, produciéndose un sonido que puede variar de leve a bastante fuerte. La persona que ronca escucha el sonido pero lo ignora y no despierta.

Apnea del sueño

Las personas que sufren este desorden cesan de respirar durante el sueño cuando las amígdalas, la lengua u otro tejido bloquean el flujo de aire. Cuando sucede a menudo se le dificulta a la persona dormir y descansar, además de que aumenta el riesgo de un ataque cardiaco. El problema puede tratarse con máscaras o con cirugía.

Bronquitis y pulmonía

Bronquitis es la irritación del epitelio de los bronquios. Cuando sucede, el epitelio secreta mucha mucina que, además de causar tos, se convierte en un medio para crecimiento de bacterias. La pulmonía es una infección de los bronquiolos y sacos alveolares. Es una condición peligrosa porque puede interrumpir el intercambio gaseoso.

Enfisema La bronquitis crónica puede convertirse en enfisema, una

condición donde el tejido pulmonar es destruido por enzimas bacterianas y sustituido por tejido fibroso. En los EU mueren unas 100,000 anualmente de esta condición, cuyo principal factor de riesgo es fumar cigarrillos.

Izquierda- pulmón normalDerecha- pulmón con enfisema

El riesgo y el vicio de fumar Las partículas y los

compuestos químicos presentes en el humo del tabaco irritan el tejido de los pulmones y pueden causar problemas respiratorios diversos, incluyendo bronquitis, enfisema y cáncer. Fumar también aumenta la presión y la probabilidad de que se formen coágulos sangíneos. Dejar de fumar es muy difícil porque la nicotina es una droga muy adictiva.

Para la industria tabacalera, mientras más temprano se comience a fumar, mejor.

Dejar de fumar es fácil, yo lo he dejado más de cien veces. --Ernest Hemingway

39.9 Adaptaciones de escaladores y buzos

Nuestro sistema respiratorio está adaptado para suplir nuestras necesidades normales. Los animales que viven en montañas altas y los acuáticos que se zambullen a grandes profundidades tienen adaptaciones especiales para esos ambientes.

Adaptaciones de las llamas

Las hemoglobina de las llamas tiene mayor afinidad por el oxígeno y por lo tanto se satura a presiones y concentraciones más bajas. La llama también tiene pulmones más grandes.

Las llamas son parientes de los camellos.

Adaptaciones de los cachalotes Los cachalotes (sperm whales)

pueden zambullirse durante dos horas. Algunas de sus adaptaciones son:• Exhalan forzosamente e inhalan

profundamente- cambian más del 90 % del aire en sus pulmones.

• La sangre tiene más eritrocitos y en los músculos hay mucha más mioglobina.

• Reducen el metabolismo y desvían la sangre hacia el cerebro y otros órganos que más la necesitan.

• Conservan energía moviéndose lo menos posible

Biodiversidad- Dermochelys coriacea

El tinglar o tortuga laúd es la tortuga marina más grande. Su carapacho coriáceao (como el cuero) es una adaptación para zambullirse a grandes profundidades sin que la presión del agua lo rompa. Como las demás tortugas marinas, desova en las playas.