MADEMS Juan Carlos Pérez Vertti Rojas
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MODELO DE PULMÓN HUMANO
Por MADEMS Juan Carlos Pérez Vertti Rojas
Introducción
La respiración puede ser vista a dos niveles: el molecular (o metabólico reacciones químicas que ocurren en el interior de la célula) y el fisiológico que se limita al intercambio de gases hasta
su introducción en la célula. Según los distintos hábitats, los diferentes organismos aeróbicos han desarrollado diferentes sistemas de intercambio de gases: cutáneo, traqueal, branquial, pulmonar. Consiste en un intercambio gaseoso osmótico (o por difusión) con su medio ambiente en el que se capta oxígeno, necesario para la respiración celular, y se desecha dióxido de carbono, como subproducto del metabolismo energético y vapor de agua.
La respiración cutánea es propia de los anélidos, anfibios (en
combinación en estos dos casos con otro tipo de respiración) y de ciertos equinodermos.
En este tipo de respiración hay que distinguir el tegumento corporal, que configura la estructura respiratoria, y la piel, a través de la cual se realiza el intercambio gaseoso, la cual debe ser muy fina, húmeda y estar bien irrigada por el medio interno del animal. El intercambio gaseoso se realiza a través de la epidermis, siempre y cuando la cutícula externa esté húmeda, algo que se consigue porque, intercaladas entre las células cúbicas del epitelio (de una sola capa), hay células glandulares.
Los anfibios,como por ejemplo las ranas y sapos,respiran en el interior del agua a través de branquias; cuando sufren su metamorfosis para entrar en la edad adulta, pierden esas branquias y desarrollan unos pulmones para poder respirar en tierra.
Posee una epidermis muy fina y una dermis bien vascularizada para poder transportar el oxígeno a todo el cuerpo a través de la sangre.
Los animales acuáticos captan O2 que se encuentra disuelto en el agua, el cual pasa a los fluidos internos (sangre, hemolinfa,
etc.) y es transportado a los tejidos, donde las células lo requieren para la respiración celular, proceso que se realiza en orgánulos celulares llamados mitocondrias. Como resultado de la respiración celular se produce CO2, el cual debe ser eliminado
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Los animales más pequeños y de menor tasa metabólica realizan el intercambio de gases por su superficie corporal. Los más grandes o activos (como peces y anfibios en alguna etapa de su vida) necesitan una superficie de intercambio más extensa, para lo que han adquirido en el curso de la evolución estructuras especializadas a las que se llama branquias. Para favorecer el intercambio, la circulación de fluidos está siempre especialmente organizada en estos órganos, incluso en aquellos animales que carecen de un sistema vascular desarrollado, como los moluscos.Las tráqueas son los órganos respiratorios de los artrópodos terrestres y de los onicóforos. El conjunto de tráqueas forma el
sistema traqueal que es una red de tubos vacíos, progresivamente de menor diámetro (de 0,8 mm a pocos micrómetros),
que penetra en los tejidos y aporta oxígeno directamente a las células, sin necesidad de la intervención del aparato circulatorio. Las tráqueas son invaginaciones del tegumento y por tanto están recubiertas por cutícula que se reemplaza con la muda (ecdisis). En la respiración traqueal el transporte de gases respiratorios es totalmente independiente del aparato circulatorio por lo que, a diferencia de los vertebrados, el fluido circulatorio (hemolinfa) no guarda oxígeno, y se cree que este es uno de los factores que pueden limitar el tamaño máximo de los artrópodos terrestres. Poseen tráqueas los onicóforos, arácnidos, miriápodos y los insectos.
Respiración metabólica
La respiración a este nivel puede ser de dos tipos aeróbica y anaeróbica. La aeróbica es realizada a nivel celular, por aquéllos organismos que pueden utilizar el oxígeno atmosférico en la combustión de moléculas como la glucosa, para la obtención de la energía que requieren las células. La energía que se obtiene de la respiración es "administrada" por una molécula conocida como ATP.
La respiración celular tiene lugar en tres etapas (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria), y se lleva a cabo con la intervención de una estructura celular especializada: la mitocondria.
La primera etapa de degradación de la molécula de glucosa (glucólisis) se lleva a cabo sin la intervención del oxígeno. Es hasta la segunda y tercera etapa (ciclo de Krebs y cadena respiratoria) donde interviene el oxígeno.
Durante la glucólisis la célula hace reaccionar a la glucosa con la presencia de dos moléculas de adenosín trifosfato (ATP) formando un azúcar difosfatado y liberando dos moléculas de ADP (adenosín difosfato, que han dejado dos ácidos fosfóricos en el azúcar). Esta molécula difosfatada se rompe por la acción de enzimas y forma dos moléculas de 3 carbonos. Cada molécula de 3 carbonos reacciona incorporando un fósforo inorgánico, formándose así dos moléculas de 3 carbonos, difosfatadas.
A partir de ese momento, cada una de las moléculas de 3 carbonos, reaccionan en presencia de ADP, formando 4 ATP. El resto (dos moléculas de 3 carbonos sin ácidos fosfóricos) se conocen como ácidos pirúvicos.
La segunda etapa de degradación de la molécula de glucosa se inicia a partir del ácido pirúvico. Este reacciona con una molécula de Acetil-coenzima A y libera un CO2. El Acetil-coenzima A se retira, se desprende CO2 y la molécula de dos carbonos
que resta, se une a una de 4 carbonos (ácido oxalacético) formando el ácido cítrico. Posteriormente la molécula desprende nuevamente una molécula de CO2 que se libera (éste es el que se exhala a la atmósfera), y forma una molécula de 5 carbonos
(el ácido cetoglutárico) desprendiendo H++ que es captado por el aceptor NAD.
De nuevo se libera CO2 y H++ (captado por el NAD) y energía suficiente para que el ADP forme ATP. Así se forman el ácido
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En este momento ya sólo queda de la glucosa inicial: ATP y NADH++ (NADH2). El CO2 ha sido liberado a la atmósfera con lo que
todo el carbono y el oxígeno de esa molécula, son desechados. La última etapa es iniciada por las moléculas de NADH2.
Ahora tienen lugar una serie de reacciones de oxidorreducción donde varias moléculas se oxidan y se reducen en presencia de los H2. En cada reacción se libera energía (ya que todas las reacciones son exergónicas) que es utilizada en la formación de
moléculas de ATP. Como resultado final se obtiene agua metabólica (H2O), cuando media molécula de O2 atmosférico reacciona
con los H2 .
Si consideramos la degradación total de la molécula de glucosa y descontamos los 2 ATP que entraron a ella al inicio de la glucólisis, la célula puede obtener un total de hasta 38 ATP.
La reacción química global de la respiración es la siguiente:
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36 ATP
En el proceso anaeróbico se usa sustancia oxidante distinta al oxígeno, es principalmente el NAD+, pero también en otros
metabolismos se emplean el sulfato o el nitrato. Es un proceso biológico de oxidorreducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica, y más raramente una molécula orgánica. La realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias y para ello utilizan una cadena transportadora de electrones análoga a la de la mitocondria en la respiración aeróbica, ya que se compone de los mismos elementos (citocromos, quinonas, proteínas ferrosulfúricas, etc.), en la que se reoxidan los coenzimas reducidos durante la oxidación de los substratos nutrientes. La única diferencia, por tanto radica, en que el aceptor último de electrones no es el oxígeno.
La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un
compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.
La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla. El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato, etc.) es un derivado del sustrato que
se ha oxidado anteriormente.
La fermentación es propia de microorganismos, como algunas bacterias y levaduras. También se produce la fermentación en la mayoría de las células de los animales (incluido el hombre, por reminiscencias evolutivas), excepto en las neuronas que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración aeróbica; algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno a las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.
Fisiología pulmonar
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células lo emplean para obtener la energía que permite mover los músculos, transportar cargas,pensar y todas las actividades que realizamos. La respiración genera como subproducto un gas llamado bióxido de carbono, que es necesario eliminar.
El aparato respiratorio es el conjunto de estructuras cuya función es la de abastecer de oxígeno al organismo, principalmente al cerebro. Consta de dos partes: las vías aéreas, con las fosas nasales y los conductos, y los pulmones:
Fosas nasales (filtra, humedece y calienta el aire). Conductos
Faringe, laringe (cuerdas vocales), tráquea. Pulmones
Bronquios, bronquiolos, alvéolos pulmonares. Pleura, lóbulos.
Diafragma.
Los pulmones son órganos pares y ocupan ambas mitades de la cavidad torácica; están separados por un espacio en el que se alojan el corazón y los grandes vasos sanguíneos (situados ligeramente en el lado izquierdo) por lo que el pulmón izquierdo tiene sólo dos lóbulos mientras que el derecho tiene tres.
La ventilación pulmonar, que consiste en la entrada y salida de aire en los pulmones, se realiza merced a los movimientos respiratorios de inspiración y espiración que suelen ser de 15 a 20 veces por minuto, en una persona adulta en condiciones normales, inhalando una cantidad aproximada de 500 cm3 en cada inspiración.
El aire ingresa por la nariz o boca hasta un tubo llamado tráquea, que lo conduce hacia los pulmones. En estos últimos se encuentran muchos vasos sanguíneos que rodean las innumerables bifurcaciones de la tráquea: primero bronquios, luego bronquiolos y, finalmente, alveolos pulmonares. Allí se produce el intercambio de los gases por medio de difusión. El oxígeno se disuelve dentro de la sangre, que lo transporta a los tejidos. La sangre también es responsable de recoger los productos de desecho, incluyendo bióxido de carbono, el cual es transportado hasta los pulmones, donde es eliminado.
Para un mejor estudio de la respiración, y teniendo en cuenta que en determinados individuos predomina una u otra, podemos clasificar cuatro formas de respiración:
1) Clavicular: es la realizada por la parte superior de los pulmones. Debido a la forma piramidal de los sacos pulmonares, éste es el tipo de respiración que menos cantidad de oxígeno provee al organismo.
2) Costal: es la realizada por la parte media de los pulmones a nivel costal. Es raro que este tipo de respiración se produzca sola, estando siempre acompañada de una respiración clavicular o abdominal.
3) Abdominal: se realiza en la parte baja de los pulmones, y permite mayor ingreso de oxígeno que las anteriores debido también a la forma piramidal de los sacos pulmonares.
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Para comprender el proceso fisiológico se elaborará un modelo de pulmón con las indicaciones que se darán a continuación.
Instrucciones
o Toma la botella y córtale la base. Haz un agujero del ancho de un popote, en la tapa de la botella. Por otro lado, toma un popote y mete la punta dentro de un globo.
o Dale unas vueltas con cinta adhesiva alrededor para que no entre ni salga aire. Puedes probar si sale aire tratando de inflar el globo a través del popote.
o Introduce el popote con el globo por la base recortada de la botella y sácala por la tapa, cuidando de que el globo quede en el medio de la botella.
o Mete la punta del popote por el agujero de la tapa de la botella, y sella la unión con plastilina para que no se escape nada de aire.
o Si el popote no es lo suficientemente largo como para que salga por el otro extremo, únele otro y séllalos con cinta adhesiva.
o Una vez que hayas hecho esto, cierra la tapa de la botella junto a el popote con un poco de cinta. Aquí también vas a tener que cuidar que quede bien cerrado para que no pase el aire.
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o Toma el globo y estíralo de manera que tape la base abierta de la botella. Pásale mucha cinta para que no se suelte yademás, para no perder la costumbre a esta altura, cuida que quede bien cerrado para que no se salga el aire. Si seguiste las instrucciones al pie de la letra, entonces tu modelo está terminado. Después toma la botella y con la otra mano estira (despacio) el globo de la base hacia abajo, luego suéltalo lentamente. Estira y suelta el globo varias veces, a ritmo constante.
o Y señala qué es lo que sucede.
Para comprender mejor tu modelo es necesario que investigues:
1. ¿Qué es la respiración?
2. ¿A qué se le llama intercambio gaseoso?
3. ¿Cuál es la diferencia entre la respiración metabólica y la respiración fisiológica? 4. En los humanos ¿Para qué sirve el diafragma y qué relación tiene con tu modelo? 5. ¿Por qué el pulmón izquierdo es algo más pequeño que el derecho?
6. ¿Qué son los bronquios y qué misión desempeñan?
7. ¿Qué relación existe entre el pulso cardíaco y la frecuencia respiratoria?
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10. Una persona con una perforación en el pecho moriría ¿desangrada o asfixiada?11. ¿Cómo consiguen "hablar" los ventrílocuos?
Curiosidades y otras cosas
El proceso mecánico de la respiración comprende los movimientos respiratorios de inspiración y espiración, los cuales se originan como consecuencia de la contracción de los músculos respiratorios y permiten la entrada y salida constante de aire en los pulmones.
La caja torácica está formada por el esternón (hueso del pecho), las 12 vértebras dorsales y los doce pares de costillas. Además de dar soporte a la pared torácica, protege órganos internos como el corazón y los pulmones. Separando la caja torácica de la cavidad abdominal, se encuentra un músculo denominado diafragma, el cual es parte activa del proceso mecánico de la respiración. Durante la inspiración, el diafragma y los músculos intercostales se contraen y la caja torácica se ensancha, permitiendo la entrada de aire a los pulmones. Durante una inspiración normal entra a los pulmones aproximadamente medio litro de aire.
Durante la espiración, el diafragma y los músculos intercostales se relajan y la caja torácica se contrae, de modo que el aire sale desde los pulmones hacia el exterior. En una espiración normal se expulsa aproximadamente medio litro de aire.
El número de inspiraciones varía con la edad y la actividad de las personas. En los niños pequeños es más frecuente (20 veces por minuto en reposo) que en los jóvenes y adultos (12 a 18 veces por minuto en reposo). Durante la actividad física, el mayor requerimiento de oxígeno hace aumente el ritmo respiratorio mediante inspiraciones y espiraciones forzadas, de modo que la ventilación pulmonar puede aumentar unas 20 veces desde el estado de reposo hasta el ejercicio de intensidad máxima.
En un adulto joven, la capacidad máxima inspiratoria es de 3 litros, mientras que la mayor capacidad de aire que puede ser espirado luego de una inspiración máxima está cercana a los 5 litros de aire y se conoce como capacidad vital. Sin embargo, en los pulmones siempre queda aproximadamente 1,5 litros de aire que no se puede movilizar, el cual se denomina volumen residual.
Cuando un individuo está en buena condición física, su tasa respiratoria aumenta el suministro de oxígeno a las células musculares. Se denomina ejercicio aeróbico a la actividad mediante la cual el sistema cardiorrespiratorio es capaz de satisfacer las demandas de los músculos y tejidos del cuerpo con un suministro adecuado de oxígeno. Si el ejercicio es demasiado extenuante, las células musculares no pueden conseguir oxígeno suficiente de los pulmones. Cuando esto ocurre, las células musculares comienzan a producir energía sin oxígeno, lo cual es llamado ejercicio anaeróbico y puede durar unos pocos minutos. Durante este tipo de ejercicio, las células contraen una deuda de oxígeno que debe pagarse durante el período de recuperación o descanso.
De las enfermedades respiratorias más frecuentes, el asma y el enfisema pulmonar están relacionados con una ventilación pulmonar deficiente. El asma se caracteriza por ventilación corta, dificultosa y con tos. El ataque da asma es provocado por alguna sustancia presente en los alimentos o en el aire, que causa un estrechamiento rápido del árbol bronquial; hay también un aumento de moco en las vías respiratorias. Los ataques de asma son contrarrestados con medicamentos que dilatan los conductos respiratorios y disminuyen la producción de moco.
