BIOELECTRÓNICA

GASES INVOLUCRADOS EN LA RESPIRACIÓN

MICHELE PLA MOBARAK RICARDO MEJÍA ÍÑIGO

FISICOQUÍMICA DE LA BIOLOGÍA

DRA. LILIANA FAVARI PEROZZI

El proceso de la respiración contribuye a la homeostasis a través del intercambio de gases, (principalmente dióxido de carbono y oxígeno) entre la sangre, los tejidos celulares y la atmósfera. Composición del aire La atmósfera terrestre consiste en una capa aproximadamente 500,000 millones de toneladas de gases que envuelven a la Tierra y cuya composición depende directamente de la altitud, temperatura y posición en el globo terráqueo. Si el volumen total de gases que existe en la Tierra fuera considerado, se observaría la siguiente composición porcentual:

Componente Símbolo Concentración aproximada Nitrógeno (N) 78.03% en volumen Oxígeno (O) 20.99% en volumen

Dióxido de Carbono (CO2) 0.03% en volumen Argón (Ar) 0.94% en volumen Neón (Ne) 0.00123% en volumen Helio (He) 0.0004% en volumen

Criptón (Kr) 0.00005% en volumen Xenón (Xe) 0.000006% en volumen

Hidrógeno (H) 0.01% en volumen Metano (CH4) 0.0002% en volumen

Óxido nitroso (N2O) 0.00005% en volumen Vapor de Agua (H2O) Variable

Ozono (O3) Variable Partículas Variable

Intercambio gaseoso en la respiración El mecanismo de intercambio gaseoso del organismo con el exterior presenta dos etapas:

a) La ventilación pulmonar: Es el flujo de aire hacia adentro y hacia fuera de los pulmones (inhalación y exhalación, respectivamente) y que involucra el intercambio de gases entre la atmósfera y el cuerpo. El mecanismo de inspiración varía entre los distintos vertebrados:

- Anfibios: Es una deglución; es decir, sucede como si se tragaran el aire. - Aves: Es por la compresión de los sacos aéreos ocasionada por los músculos

de las alas. - Mamíferos: El aire entra activamente en los pulmones al dilatarse la caja

torácica. La siguiente figura muestra el proceso de ventilación en los mamíferos.

b) El intercambio de gases en los pulmones: Éste se realiza debido a una diferencia de concentración de gases entre el exterior y el interior de los alvéolos. El oxígeno (O2) pasa al interior de los alvéolos y el dióxido de carbono (CO2) pasa al espacio muerto; es decir, los conductos respiratorios. Se produce entonces el intercambio de gases entre el aire alveolar y la sangre. La sangre que llega a los pulmones tiene un alto contenido de CO2 y muy escaso en O2. El O2 pasa por difusión a través de las paredes alveolares y capilares a la sangre; allí es transportado por la hemoglobina, que se localiza en los glóbulos rojos, y que lo lleva hasta las células del cuerpo donde por el mismo proceso de difusión pasa al interior para su posterior uso. En la siguiente figura se muestra el intercambio de oxígeno.

El mecanismo de intercambio de CO2 sucede en sentido contrario al de O2. El CO2 pasa a los alvéolos. Se transporta disuelto en el plasma sanguíneo y parte es también transportado por los glóbulos rojos. La siguiente figura muestra el mecanismo de transporte del dióxido de carbono.

Se conoce como respiración pulmonar al intercambio de gases entre los alvéolos de los pulmones y la sangre en los capilares pulmonares a lo largo de la membrana respiratoria. En este proceso la sangre capilar gana O2 y pierde CO2. Se conoce como respiración interna al

intercambio de gases entre la sangre y los capilares sistémicos y las células de los tejidos. En este proceso la sangre pierde O2 y gana CO2. El aire inspirado tiene una mayor concentración de oxígeno que el espirado, mientras que el espirado contiene una mayor cantidad de dióxido de carbono con respecto al inspirado. No hay cambios en la cantidad de nitrógeno. Procesos fisicoquímicos de la respiración El intercambio de gases entre la atmósfera y el organismo depende directamente de una diferencia de presiones entre el interior de los pulmones y la presión atmosférica: Inhalación Cuando la presión dentro de los pulmones es menor que la presión en la atmósfera, el aire se mueve dentro de los pulmones. Para lograr esta condición, es necesario el uso de la ley de Boyle. Boyle menciona que la presión de un gas en un contenedor cerrado es inversamente proporcional al volumen del contenedor; esto significa que si el tamaño de un contenedor cerrado se incrementa, entonces la presión del gas contenido disminuirá. De esta forma, para lograr que el aire de la atmósfera ingrese a los pulmones se requiere incrementar el tamaño de los mismos. El principal músculo encargado de la inhalación es el diafragma, el cual permite incrementar el diámetro vertical de la cavidad torácica para lograr una diferencia de presión de 1 a 3 mmHg y la inhalación de aproximadamente 500mL de aire. Si la respiración fuera más profunda, el diafragma podría descender 10cm para causar una diferencia de presión de 100 mmHg y la inhalación de 2 a 3 litros de aire. Exhalación Cuando la presión dentro de los pulmones es mayor que la presión en la atmósfera, el aire se mueve fuera de los pulmones. La salida de gases (conocida como exhalación o espiración) se debe también al gradiente de presión pero que ocurre en dirección contraria. La presión de los pulmones es mayor que la presión de la atmósfera. Para este proceso no se requiere de ningún trabajo muscular del cuerpo, sino más bien de una restauración elástica de los músculos y paredes pulmonares que ocasionan la reducción de volumen pulmonar. La actividad pulmonar se vuelve activa cuando se requiere de una fuerza para expulsar aire como lo es tocar un instrumento de viento.

El intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre el aire alveolar y la sangre pulmonar ocurre mediante difusión pasiva, que se rige por el comportamiento de los gases descrito por dos leyes: la de Dalton y la de Henry. La ley de Dalton es importante para entender la manera en que los gases se mueven a través del gradiente de presión por medio de difusión y la de Henry ayuda a explicar cómo la solubilidad de un gas se relaciona con su propiedad de difusión. De acuerdo con la ley de Dalton, cada gas en una mezcla de gases tiene su propia presión, conocida como presión parcial. El aire atmosférico es una mezcla de gases (nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono, vapor de agua, y otros gases en menores proporciones), por lo que la presión atmosférica de 760 mmHg, es la suma de las presiones parciales de dichos gases. Las presiones parciales determinan el movimiento de O2 y CO2 entre la atmósfera y los pulmones, entre los pulmones y la sangre, y entre la sangre y las células del cuerpo. Cada gas pasa por difusión a través de una membrana permeable del área donde la presión parcial es mayor al área donde es menor. Mientras mayor es la diferencia entre presiones, la difusión ocurre más rápido. En comparación con el aire inhalado, el aire alveolar tiene menos oxígeno (13.6% contra 20.9%) y más dióxido de carbono (5.2% contra 0.04%). Esto se debe primero a que el intercambio gaseoso en los alvéolos incrementa el contenido de CO2 y reduce el contenido de O2 del aire alveolar. En segundo, cuando el aire es inhalado, se humedece conforme pasa a través de las mucosas húmedas del cuerpo. Como los contenidos de vapor de agua en el aire se incrementan, el porcentaje relativo que corresponde al oxígeno disminuye. En contraste, el aire exhalado contiene más oxígeno que el alveolar (16% contra 13.6%) y menos dióxido de carbono (4.5% contra 5.2%) debido a que parte del aire exhalado se queda en el espacio muerto y no participa en el intercambio gaseoso. El aire exhalado es una mezcla de aire alveolar y aire inhalado que estaba en el espacio anatómico muerto; es decir, los conductos respiratorios. La ley de Henry establece que la cantidad de un gas que se disolverá en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas y a su solubilidad. En los fluidos del cuerpo, la habilidad de un gas de permanecer en solución es mayor cuando su presión parcial es alta y cuando tiene una alta solubilidad en agua. Mientras mayor sea la presión parcial de un gas sobre un líquido, y mayor sea su solubilidad, mayor cantidad del gas permanecerá en solución. En comparación con

el oxígeno, hay mayor cantidad de dióxido de carbono disuelto en el plasma sanguíneo porque su solubilidad es 24 veces mayor que la del oxígeno. A pesar de que el aire que respiramos contiene principalmente nitrógeno, este gas no tiene ninguna función conocida sobre las funciones del cuerpo, y a nivel del mar, muy poco de éste se disuelve en el plasma sanguíneo porque tiene una solubilidad muy baja. Un ejemplo práctico de la ley de Henry es el gas contenido en un refresco. El gas disuelto es dióxido de carbono y como está enlatado a alta presión, el gas permanece disuelto en el líquido hasta que la lata se abre; en este momento, la presión disminuye y el gas empieza a burbujear y a escapar de la solución. El cambio en la solubilidad del nitrógeno en los fluidos del cuerpo puede tener algunos efectos que son explicados por esta misma ley. El aire que respiramos contiene 79% de nitrógeno; sin embargo, este gas parece no tener efecto sobre las funciones del cuerpo y muy poco se disuelve en el plasma sanguíneo por su poca solubilidad a nivel del mar. Conforme la presión total del aire se incrementa, las presiones parciales de todos sus gases también lo hacen. Cuando un buzo respira aire a latas presiones, el nitrógeno en la mezcla puede tener efectos muy negativos, ya que su presión parcial es mayor, y por lo tanto, una cantidad considerable del mismo se disuelve en el plasma y en los fluidos intersticiales. Una cantidad excesiva de nitrógeno disuelto puede ocasionar mareo y otros síntomas similares a los de intoxicación por alcohol. A esta condición se le conoce como narcosis. Si el buzo sube lentamente a la superficie, el nitrógeno disuelto puede ser eliminado exhalándolo; sin embargo, si el ascenso es muy rápido, el nitrógeno sale rápidamente de la solución y genera burbujas de gas en los tejidos que son muy peligrosas; sobretodo en tejido nervioso. La siguiente figura muestra la difusión de los gases en la respiración.

Transporte de oxígeno El oxígeno no es fácilmente soluble en agua, por lo que sólo el 1.5% del oxígeno inhalado es disuelto en el plasma de la sangre, el cual es en su mayoría agua. Alrededor del 98.5% del oxígeno de la sangre es enlazado a la hemoglobina en las glóbulos rojos de la sangre. Cada 100mL de sangre oxigenada contienen el equivalente a 20mL de gas O2. La hemoglobina contiene 4 átomos de hierro, los cuales son capaces de sujetar una molécula de O2. El oxígeno y la hemoglobina son fácilmente reversibles en oxihemoglobina como lo muestra la siguiente fórmula:

Hb + O2 Hb-O2 Hemoglobina

reducina (deoxihemoglobina)

Oxígeno

Enlace de O2 ↔

Disociación de O2

Oxihemoglobina

Transporte de dióxido de carbono Bajo condiciones normales de reposo, cada 100mL de sangre desoxigenada contiene el equivalente a 53mL de CO2 gaseoso, en tres formas principales:

1. CO2 disuelto: el porcentaje más pequeño (alrededor de 7%) se encuentra disuelto en el plasma de la sangre que, al llegar a los pulmones, se difunde en el aire alveolar y es exhalado.

2. Componentes carbamino: en un porcentaje un poco mayor (alrededor del 23%) se combina con los grupos de los aminoácidos y las proteínas en la sangre para formar componentes carbamino. Dado que la proteína que más abunda en la sangre es la hemoglobina, mucho del CO2 es transportado unido con la hemoglobina. La hemoglobina que se encuentra enlazada al CO2 se conoce como carbaminohemoglobina (Hb-CO2):

Hb + CO2 Hb-CO2

Hemoglobina Dióxido de carbono

↔ Carbaminohemoglobina

En la sangre es más fácilmente enlazable el CO2 a la hemoglobina que el dióxido de carbono debido a la presencia que tiene este gas en los capilares.

3. Iones de bicarbonato: el mayor porcentaje de CO2 (alrededor del 70%) es transportado en el plasma de la sangre como iones de bicarbonato (HCO3). Dado que CO2 se difunde en los capilares sistémicos y entran en los glóbulos rojos de la sangre, este reacciona con el agua en presencia de la enzima anhidrasa carbónica para formar ácido carbónico, el cual disocia el H+ en HCO3

-.

CO2 + H2O H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

Dióxido de carbono Agua

↔ Ácido

carbónico Ión de hidrógeno

Ión de bicarbonato

De esta manera, mientras la sangre recoge el CO2, el HCO3

- se acumula dentro de los glóbulos rojos. Algo de HCO3- se sale hacia el plasma sanguíneo, descendiendo su

gradiente de concentración; el cual intercambia iones de cloro desde el plasma a los glóbulos rojos.

La cantidad de CO2 que puede ser transportado en la sangre depende del porcentaje de saturación de la hemoglobina con oxígeno, conocido como efecto Haldane; el cual relaciona al descenso de la oxihemoglobina con un aumento en la capacidad de acarreo de CO2 en la célula.

Referencias Bibliográficas:

1) G. J. Tortora y B. Derrickson. “Principles of Anatomy and Physiology”, 13ª ed., USA: John Wiley and Sons, Inc., 2009, 1347 pp.

2) http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/RespiracioIntercaGases.htm 3) http://www.xuletas.es/ficha/intercambio-de-gases-en-la-respiracion/ 4) http://www.salonhogar.com/ciencias/naturaleza/aire/composiciondelairepuro.htm