Respiración e intercambio de gases: de los alvéolos a las células

Respiración e intercambio de gases: de los alvéolos a las células

El oxígeno sale del aire, llega a la sangre y termina dentro de las células, mientras el dióxido de carbono recorre el camino de vuelta. Para conseguirlo, el organismo combina la ventilación con el intercambio gaseoso.

Los dos pulmones albergan cientos de millones de saquitos microscópicos, y cada uno está envuelto por vasos capilares. A través de esas paredes el oxígeno se incorpora a la sangre y el dióxido de carbono la abandona.

Este artículo explica las dos zonas del sistema respiratorio, la mecánica de la ventilación y el transporte de los gases en la sangre. Al final encontrarás dos casos resueltos con el cálculo comprobado y los errores que más se repiten en la prueba.

El trayecto se ordena en tres momentos: primero entra el aire, después difunden los gases en el alvéolo y por último la sangre los reparte. Cada momento tiene su mecanismo y sus preguntas típicas de examen.

La superficie de intercambio de los dos pulmones ronda los 70 metros cuadrados. Esa extensión, sumada al grosor mínimo de las paredes, explica por qué el paso de los gases ocurre en fracciones de segundo.

Las vías respiratorias: una zona que conduce y otra que intercambia

Dentro del aparato respiratorio se distinguen dos territorios: uno que solo transporta el aire y otro donde se produce el intercambio. El segundo es el único que modifica la composición del gas.

Por la zona de conducción pasan la cavidad nasal, la faringe, la laringe, la tráquea y los bronquios. A ella pertenecen también los bronquiolos, incluidos los terminales.

Ahí el aire se calienta, se humedece y pierde parte de las partículas que trae. El revestimiento interno combina células ciliadas con otras que secretan moco.

El moco retiene polvo y microorganismos, y los cilios lo desplazan hacia la garganta. Una vez allí se deglute y el aparato digestivo lo elimina.

El territorio de intercambio arranca en los bronquiolos respiratorios y continúa por los conductos alveolares. Su punto final son los sacos alveolares y los alvéolos, donde la pared alcanza su menor espesor.

El recorrido empieza en la nariz, sigue por la tráquea y se bifurca en dos bronquios. Cada uno penetra en un pulmón y se subdivide en conductos progresivamente más delgados.

Cada pulmón es elástico y está envuelto por la pleura, una membrana de dos hojas. El líquido que queda entre ambas hojas disminuye la fricción contra las costillas.

El pulmón derecho se divide en tres lóbulos; el izquierdo, en dos. La parte izquierda es más angosta porque comparte espacio con el corazón.

Los alvéolos: la superficie donde ocurre el intercambio

Al final del árbol respiratorio se agrupan los alvéolos, saquitos microscópicos de pared finísima. Una malla de capilares pulmonares envuelve a cada uno.

Entre el aire y la sangre queda una barrera de espesor mínimo, formada por la pared alveolar y la del capilar. Cuanto menor es ese espesor, menos distancia tienen que salvar las moléculas.

Dentro del alvéolo hay una película de agua, porque el aire que llega hasta allí queda cargado de vapor. Los gases primero se disuelven en ese líquido y luego atraviesan la pared.

Para este paso no hace falta ninguna bomba ni una proteína que transporte el gas. Las moléculas se desplazan solas, sin gasto de energía, y a ese traslado se le llama difusión simple.

Las células alveolares tipo II producen el surfactante, una mezcla de fosfolípidos y proteínas. Esa sustancia baja la tensión superficial y evita que los sacos se colapsen al espirar.

Los alvéolos vecinos se comunican por pequeños poros. Esos poros permiten que el aire pase de un saco a otro cuando uno de ellos se obstruye.

Cuando una zona queda mal ventilada, los capilares que la rodean se contraen. La sangre se redirige entonces hacia alvéolos que sí reciben aire.

La estructura importa: un alvéolo destruido no se reemplaza. Por eso las enfermedades que dañan esa pared reducen de forma permanente la superficie disponible.

La barrera que separa el aire de la sangre se llama membrana respiratoria. La forman el epitelio alveolar, el líquido intersticial y el endotelio del capilar.

La ventilación pulmonar: diafragma, costillas y presiones

Gracias a la ventilación, el aire de los alvéolos se renueva sin interrupción. El motor son las variaciones de volumen y de presión que ocurren dentro del tórax.

Al tomar aire, el diafragma se acorta y desciende hasta acercarse a los órganos del abdomen. Los intercostales externos, por su parte, llevan las costillas hacia arriba y hacia fuera.

El tórax gana volumen, la presión interior cae y el aire de fuera entra hasta equilibrarla. Esta relación entre presión y volumen es la ley de Boyle.

En una espiración de reposo no hay esfuerzo muscular: los músculos simplemente se distienden. El pulmón recupera su tamaño por su propia elasticidad y expulsa el aire.

En una respiración tranquila se mueven unos 500 mililitros de aire. Ese valor se denomina volumen corriente.

Sin embargo, esos 500 mililitros no alcanzan íntegros la zona alveolar. Lo que llena la tráquea y los bronquios se queda en el trayecto y no se intercambia.

El adulto sano en reposo cumple de 12 a 18 ciclos por minuto. En un menor de un año el ritmo se mueve entre 30 y 60.

La capacidad vital reúne el volumen corriente y el aire que se puede movilizar con un esfuerzo máximo. Queda fuera el volumen residual, que nunca abandona los pulmones.

Las cifras de la tabla corresponden a un adulto sano. La talla, la edad y el entrenamiento desplazan cada valor.

La pleura mantiene el pulmón pegado a la caja torácica, de modo que ambos se mueven juntos. Si esa unión se rompe, el pulmón se despega y deja de seguir al tórax.

La difusión y las presiones parciales

Cada gas de una mezcla aporta su propia presión parcial, que es la fuerza que ejerce por separado. La ley de Dalton indica que la suma de esos aportes equivale a la presión total.

Los gases se desplazan siempre desde el punto de mayor presión parcial hacia el de menor. Ese traslado recibe el nombre de difusión y no requiere energía.

La presión parcial del oxígeno alveolar se acerca a los 104 milímetros de mercurio. La sangre que entra al capilar pulmonar trae unos 40.

Con 64 milímetros de mercurio de desnivel, el oxígeno penetra en el capilar. En el camino cruza tres capas: epitelio alveolar, líquido intersticial y endotelio.

El dióxido de carbono se comporta al revés. En la sangre su presión parcial ronda los 45 milímetros de mercurio, mientras que en el alvéolo se queda en 40.

Basta un desnivel de 5 milímetros de mercurio para que el gas escape hacia el alvéolo. La explicación está en su solubilidad: el dióxido de carbono se disuelve en agua mucho mejor que el oxígeno.

En los tejidos el sentido se invierte. Ahí el oxígeno abandona la sangre y entra en las células, mientras el dióxido de carbono hace el recorrido contrario.

No hay que confundir ese trasiego con la respiración celular. Esta última consiste en una serie de reacciones químicas que liberan energía dentro de la célula.

El intercambio depende de que la ventilación y el flujo de sangre coincidan en el mismo alvéolo. Un saco bien ventilado pero sin sangre no entrega oxígeno, y uno bien perfundido pero sin aire no lo carga.

El transporte de oxígeno y de dióxido de carbono

La hemoglobina se lleva prácticamente todo el oxígeno que circula. Solo una mínima parte, un 1,5 %, permanece disuelta en el plasma.

Se trata de una proteína que ocupa el interior de los eritrocitos o glóbulos rojos. Está formada por cuatro subunidades y cada una aloja un grupo hemo con hierro.

El oxígeno se fija justo en ese hierro. De ahí que cada molécula de hemoglobina pueda llevar hasta cuatro moléculas del gas.

Donde la presión parcial es alta, la hemoglobina carga oxígeno; donde es baja, lo suelta. De ese modo el gas llega precisamente a los tejidos que lo están gastando.

El pH y la temperatura afinan esa descarga. Si el medio se acidifica o se calienta, la hemoglobina se desprende del oxígeno con más facilidad, y ambas cosas suceden en el músculo que trabaja.

El dióxido de carbono dispone de tres vías de transporte. Predomina el ion bicarbonato, y una fracción menor se acopla a la hemoglobina.

La anhidrasa carbónica, dentro del eritrocito, une el gas con agua y produce ácido carbónico. Al separarse, ese ácido deja bicarbonato e iones de hidrógeno, y el bicarbonato sale al plasma.

En el pulmón el proceso marcha al revés y el gas termina difundiendo hacia el alvéolo. La hemoglobina que acaba de soltar oxígeno admite más dióxido de carbono, fenómeno que recibe el nombre de efecto Haldane.

Las tres fracciones se reajustan entre sí de manera permanente. Si una disminuye, las otras la sustituyen, y así la salida del gas no se interrumpe.

El control de la respiración y el cuidado de los pulmones

Respirar es una actividad automática, aunque el ritmo cambia según la demanda del organismo. El bulbo raquídeo aloja el centro respiratorio, que dialoga con el diafragma y con los intercostales.

Un grupo de sensores llamados quimiorreceptores controla cómo está compuesta la sangre. Los del bulbo reaccionan sobre todo al dióxido de carbono, que perciben por el cambio de pH.

Si el dióxido de carbono aumenta, el pH desciende y la sangre gana acidez. En ese momento el centro respiratorio manda respirar con más frecuencia y con más profundidad.

Con más ventilación, el gas sobrante sale del cuerpo y el ritmo regresa a su valor habitual. Este mecanismo es un ejemplo de retroalimentación negativa.

En las arterias carótidas y en la aorta hay otros receptores, llamados periféricos, que siguen el descenso del oxígeno. Su papel gana peso cuando la falta de oxígeno se vuelve intensa.

Hasta cierto punto la respiración se puede contener o acelerar a voluntad. Aun así, el control consciente no la frena del todo, porque el centro respiratorio retoma el mando.

Durante la actividad física, el músculo eleva su consumo de oxígeno y su producción de dióxido de carbono. Lo que acelera el ritmo es ese aumento sanguíneo, no el agotamiento del diafragma.

El humo del cigarrillo deteriora las paredes de los alvéolos y paraliza los cilios que mantienen limpias las vías. La Organización Mundial de la Salud calcula que el tabaco mata a más de 7 millones de personas cada año, y más de 1,6 millones no fuman.

El aire contaminado dentro de la casa también cobra víctimas: unos 2100 millones de personas usan combustibles sólidos y fogones ineficientes para cocinar. A esa exposición se atribuyeron 2,9 millones de muertes en 2021.

Alejarse del humo ajeno, abrir las ventanas y mantenerse en movimiento ayuda a conservar la superficie de intercambio. Si la tos no cede o falta el aire, hay que consultar, porque el alvéolo perdido no vuelve a formarse.

Cómo se evalúa este tema en la prueba

En este bloque los ítems traen un caso corto y piden identificar el concepto o el mecanismo que lo explica. Rara vez solicitan una definición de memoria: lo habitual es aplicar la idea.

Por eso conviene separar tres parejas que se mezclan con facilidad. La ventilación traslada aire, la difusión traslada gases entre el alvéolo y la sangre, y la respiración celular produce energía dentro de la célula.

Los dos casos siguientes muestran cómo se resuelven los ejercicios de cálculo, que también aparecen en este tema. En ambos conviene anotar las unidades antes de operar y revisar el resultado al final.

Al responder, fijate en el verbo del enunciado y en el lugar donde ocurre el proceso. Si el caso habla de aire que entra y sale, es ventilación; si habla de paso de un gas a través de una pared, es difusión.

Una tabla de referencia se lee por filas y no por columnas. Primero ubicá la medida que menciona el caso y después comprobá si el valor que ofrece la opción cae dentro del rango.

Cuando el ejercicio pide comparar dos situaciones, dividí el valor mayor entre el menor. Ese cociente responde la pregunta sobre cuántas veces cambió la magnitud.

Conclusión

El aire entra, se renueva en los alvéolos y el oxígeno acaba dentro de las células. El diafragma y las costillas hacen su parte, y la difusión completa el trabajo.

Desde el alvéolo el oxígeno pasa a la sangre, y el dióxido de carbono toma la dirección contraria. Ese trasvase está gobernado por las presiones parciales y por lo delgada que sea la barrera alveolocapilar.

Casi todo el oxígeno viaja pegado a la hemoglobina de los eritrocitos, en tanto que el dióxido de carbono lo hace mayoritariamente como bicarbonato. El ritmo respiratorio se corrige según la cantidad de dióxido de carbono que detectan los quimiorreceptores.

Proteger los pulmones equivale a proteger una superficie de intercambio que, una vez destruida, no se regenera. Quien domina el recorrido completo responde igual de bien las preguntas de concepto y los ejercicios numéricos.