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La respiración externa es el proceso de intercambio de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) entre la sangre y la atmósfera. Puede dividirse en cuatro etapas principales:

La ventilación pulmonar o intercambio del aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares mediante la inspiración (entrada de aire a las vías respiratorias) y la espiración (salida de aire).

La difusión de gases o paso del oxígeno y del dióxido de carbono desde los alvéolos a la sangre y viceversa, desde la sangre a los alvéolos.

El transporte de gases por la sangre y los líquidos corporales hasta llegar a las células y viceversa.

Y, por último, la regulación del proceso respiratorio.

La respiración interna es el proceso de intercambio de gases entre la sangre de los capilares y las células de los tejidos en donde se localizan esos capilares. 

Ver imagen: Intercambio de gases  

Es la primera etapa del proceso de la respiración y consiste en el flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones, es decir, en la inspiración la contracción del diafragma y de los músculos inspiratorios da lugar a un incremento de la capacidad de la cavidad torácica, por una diferencia de presión, con lo que hace que el aire entre en las vías respiratorias. Durante la espiración, los músculos respiratorios se relajan y vuelven a sus posiciones de reposo y el aire sale de los pulmones. 

Ver imagen: Mecánica de la respiración  

El flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones depende de la diferencia de presión producida por una bomba. Los músculos respiratorios constituyen esta bomba y cuando se contraen y se relajan crean gradientes de presión.

En la respiración normal tranquila, la contracción de los músculos respiratorios sólo ocurre durante la inspiración, mientras que la espiración es un proceso pasivo, ya que se debe a la relajación muscular. En consecuencia, los músculos respiratorios normalmente sólo trabajan para causar la inspiración y no la espiración. Los dos factores que tienen la mayor influencia en la cantidad de trabajo necesario para respirar son: 

• la expansibilidad o compliance de los pulmones, 
• la resistencia de las vías aéreas al flujo del aire.

La expansibilidad o compliance es la habilidad de los pulmones para ser estirados o expandidos. Las fuerzas que se oponen a la compliance o expansión pulmonar son dos: 

• laelasticidad o elastancia de los pulmones, que es la tendencia a recuperar su forma y dimensiones originales; 
• la tensión superficial, producida por una delgada capa de líquido que reviste interiormente los alvéolos, que incrementa la resistencia del pulmón a ser estirado y que, por tanto, aumenta el trabajo respiratorio para expandir los alvéolos en cada inspiración.

Para poder realizar la inspiración con facilidad, estas dos fuerzas son contrarrestadas por: 

• la presión intrapleural negativa, que existe en el interior de las cavidades pleurales y que obliga a los pulmones a seguir a la pared torácica en su expansión (ver el apartado de ventilación pulmonar); 
• el agente tensioactivo o surfactante, que es una mezcla segregada por unas células especiales que forman parte del epitelio alveolar.

En cuanto a la resistencia de las vías respiratorias aéreas al flujo del aire, los factores que contribuyen son: 

• la longitud de las vías, constante en condiciones normales. 
• la viscosidad del aire que fluye a través de las vías, constante. 
• el radio de las vías.

La longitud de las vías respiratorias es constante y la viscosidad del aire también es constante en condiciones normales, de modo que el radio de las vías respiratorias es el factor más importante en la resistencia al flujo del aire.

Un método simple para estudiar la ventilación pulmonar consiste en registrar el volumen de aire que entra y sale de los pulmones. Es lo que se llama realizar una espirometría, que mide los volúmenes, la capacidad y la velocidad de flujo pulmonar. Los resultados se basan en el grado de desviación de la normalidad, teniendo en cuenta la edad, la altura, el peso y el sexo de la persona. Se emplea para el diagnóstico de la enfermedad pulmonar. Se valoran 4 volúmenes diferentes y 4 capacidades diferentes.

Al final del registro espirométrico, la persona hace un esfuerzo inspiratorio máximo y, a continuación, espira tan rápida y completamente como pueda. El volumen de aire exhalado en un segundo, bajo estas condiciones, se llama volumen espiratorio forzado en un segundo (FEV1, siglas en inglés). En los adultos sanos el FEV1 es de alrededor del 80% de la capacidad vital, es decir, que el 80% de la capacidad vital se puede espirar forzadamente en un segundo. El FEV1 constituye una medida muy importante para examinar la evolución de una serie de enfermedades pulmonares. En las enfermedades pulmonares obstructivas, por ejemplo, el FEV1 disminuye.

La importancia final de la ventilación pulmonar reside en la renovación continua del aire en las unidades respiratorias, que es donde el aire está en estrecha proximidad con la sangre.

La ventilación pulmonar total representa el movimiento físico del aire dentro y fuera del tracto respiratorio, pero no es necesariamente un buen indicador de la cantidad de aire fresco que alcanza la superficie de intercambio alveolar, porque parte del aire que respira una persona nunca llega a las regiones de intercambio de gases sino que permanece en las vías respiratorias como la tráquea y los bronquios.

Como consecuencia, un indicador más adecuado de la eficiencia de la ventilación es la ventilación alveolar o la cantidad de aire que alcanza los alvéolos en un minuto. Se observa que la ventilación alveolar puede ser afectada drásticamente por cambios tanto en la frecuencia respiratoria como en la profundidad de la respiración.

Una vez que los alvéolos se han ventilado con aire nuevo, el siguiente paso en el proceso respiratorio es la difusión del oxígeno (O2) desde los alvéolos hacia la sangre y del dióxido de carbono (CO2) en dirección opuesta.

Las paredes alveolares son muy delgadas y sobre ellas hay una red casi sólida de capilares interconectados entre sí. El recambio gaseoso entre el aire alveolar y la sangre pulmonar se produce a través de una serie de membranas y capas que se denominan, en conjunto, membrana respiratoria o membrana alveolocapilar.

Para que la ventilación alveolar y la difusión de gases sean correctas, es necesario que todos los alvéolos se ventilen por igual y que el flujo de sangre por los capilares pulmonares sea el mismo para cada alvéolo. La perfusión pulmonar es el flujo sanguíneo pulmonar (Q).

Para representar posibles variaciones, se ha desarrollado el concepto de relación ventilación alveolar-perfusión (VA/Q) o relación entre la ventilación alveolar y el flujo sanguíneo pulmonar. El valor normal del cociente VA/Q es 0,8.

Una vez que el oxígeno (O2) ha atravesado la membrana respiratoria y llega a la sangre pulmonar, tiene que ser transportado hasta los capilares de los tejidos para que se pueda difundir al interior de las células. El transporte de O2 por la sangre se realiza principalmente en combinación con la hemoglobina (Hb), aunque una pequeña parte de oxígeno se transporta también disuelto en el plasma.

La hemoglobina (Hb) es una proteína unida a un pigmento responsable del color rojo de la sangre, y situada en el interior de los hematíes. Cada molécula de hemoglobina está formada por 4 subunidades proteicas consistentes, cada una de ellas, en un grupo hemo (pigmento) unido a una globina (cadena polipeptídea), y posee 4 átomos de hierro (Fe), cada uno de los cuales está localizado en un grupo hemo. Como cada átomo de hierro puede fijar una molécula de oxígeno (O2), en total 4 moléculas de oxígeno pueden ser transportadas en cada molécula de hemoglobina. La unión entre el hierro y el oxígeno es débil, lo que significa que se pueden separar rápidamente en caso necesario. La combinación de la hemoglobina con el oxígeno constituye la oxihemoglobina. 

Ver imagen: Hemoglobina

El porcentaje de saturación de la hemoglobina se refiere a los sitios de unión disponibles en la hemoglobina que están unidos al oxigeno. Si todos los sitios de unión de todas las moléculas de hemoglobina están unidos al oxigeno se dice que la sangre esta oxigenada al 100%, es decir, la hemoglobina está 100% saturada con oxigeno. 

Cuando la sangre arterial llega a los capilares de los tejidos, la hemoglobina libera parte del oxígeno que transporta, es decir se produce la disociación de parte de la oxihemoglobina, lo que se representa en lacurva de disociación de la Hb.

Cualquier factor que cambie la configuración de la hemoglobina puede afectar su habilidad para unir oxígeno. Por ejemplo, incrementos en la temperatura corporal, en la presión parcial del dióxido de carbono (PCO2) o en la concentración de hidrogeniones (H+) (es decir, disminución del pH), disminuye la afinidad de las moléculas de hemoglobina (Hb) por el oxígeno. Es decir, que la Hb libera oxígeno con más facilidad en los tejidos, y su nivel de saturación y de capacidad de reserva disminuye.

La producción de dióxido de carbono (CO2) se realiza en los tejidos, de donde es recogido por la sangre y llevado hasta los pulmones; se puede transportar disuelto en el plasma. Las células producen más CO2 del que se puede transportar disuelto en el plasma. De modo que la sangre venosa transporta el CO2 de tres maneras: 

1. combinado con la hemoglobina (Hb) (20%), 
2. en forma de bicarbonato (73%), 
3. en solución simple (7%).

La respiración se realiza a consecuencia de la descarga rítmica de neuronas motoras situadas en la médula espinal que se encargan de inervar los músculos inspiratorios. A su vez, estas motoneuronas espinales están controladas por dos mecanismos nerviosos separados pero interdependientes: 

1. Un sistema voluntario, localizado en la corteza cerebral, por el que el ser humano controla su frecuencia y su profundidad respiratoria voluntariamente; por ejemplo, al tocar un instrumento o al cantar. 
2. Un sistema automático o involuntario, localizado en el tronco del encéfalo que ajusta la respiración a las necesidades metabólicas del organismo; es el centro respiratorio (CR), cuya actividad global es regulada por dos mecanismos: un control químico y un control no químico debido a señales provenientes de otras zonas del organismo.

La actividad respiratoria cíclica está controlada por las neuronas especializadas que constituyen el centro respiratorio (CR). Sin embargo, la actividad de estas neuronas está sujeta a una modulación continuada, que depende de los niveles de gases en la sangre arterial. 

1. Efecto de la concentración de oxígeno (O2) en la sangre arterial. En el organismo existen unos receptores químicos especiales llamados quimiorreceptores periféricos que se encargan de percibir cambios en la composición química de la sangre arterial.  En condiciones normales, el mecanismo de control de la respiración por la presión parcial de oxígeno (PO2) no es el más importante, y esto es debido a que, como el oxígeno (O2) es vital para nuestro organismo, el sistema respiratorio conserva siempre una presión de O2 alveolar más elevada que la necesaria para saturar casi completamente la hemoglobina. De este modo, la ventilación alveolar puede variar enormemente sin afectar excesivamente al transporte de O2 a los tejidos.
2. Efecto de las concentraciones de dióxido de carbono (CO2) e hidrogeniones (H+) en la sangre arterial. El controlador químico más importante de la ventilación pulmonar es el dióxido de carbono, a través de la concentración de hidrogeniones en el líquido cefalorraquídeo. Los iones H+ sí que tienen una acción estimulante directa potente sobre el CR.

1. Por receptores especiales de sensibilidad profunda o propioceptores: 
   • Receptores de estiramiento en los pulmones que son estimulados cuando los pulmones se estiran en exceso, y envían impulsos al centro respiratorio (CR) para disminuir la ventilación. Se trata de un mecanismo protector pulmonar. 
   • Receptores en las articulaciones que son estimulados durante el ejercicio, y envían impulsos al CR para aumentar la frecuencia respiratoria; incluso los movimientos pasivos de las extremidades incrementan varias veces la ventilación pulmonar. 
2. Por actividad del centro vasomotor (CVM), que controla la vasoconstricción periférica y la actividad cardiaca, como sucede en el caso de una hipotensión. 
3. Por aumento de la temperatura corporal (Tª), que también provoca un aumento de la ventilación alveolar.