TEMA 2. LA RESPIRACIÓN

1. ANATOMÍA BÁSICA DE LA VÍA AÉREA

Entender la anatomía del aparato respiratorio nos ayudará a entender la medición del CO₂ en el ciclo respiratorio.

La anatomía pulmonar puede ser desglosada en 3 partes principales:

• Vía aérea superior
• Árbol traqueobronquial
• Vía aérea inferior

La vía aérea superiorincluye la nariz, la cavidad oral, la faringe y la laringe.

La nariz está cubierta con mucosa ciliada que calienta y humidifica el aire aspirado y remueve partículas extrañas antes de que puedan alcanzar los pulmones. En la vía aérea superior no se realiza ningún intercambio de gas.

El árbol traqueobronquial está compuesto por ramificaciones de vías respiratorias. La tráquea conecta la laringe con los bronquios principales izquierdo y derecho.

La vía aérea superior y el árbol traqueobronquial son llamadas zonas conductoras.

Los bronquios se ramifican en bronquios lobares, segmentarios y subsegmentarios antes de finalmente, ramificarse en los bronquiolos terminales respiratorios. Debido a que no ocurre ningún intercambio de gas en el árbol traqueobronquial, el volumen de gas existente en esta zona es denominado espacio muerto anatómico.

En la vía respiratoria inferior tiene lugar el intercambio de gases. Pasado el nivel de los bronquiolos terminales respiratorios, las vías respiratorias se ramifican aún más en conductos alveolares y alveolos. El intercambio de gases se realiza a través de un proceso llamado difusión, donde el O₂ y el CO₂ se mueven entre el alveolo y la sangre, zona conocida como zona respiratoria.

Imagen 1. El intercambio de gas se realiza en la zona respiratoria mediante difusión entre el alveolo y los capilares pulmonares. 

2. FISIOLOGÍA DE LA RESPIRACIÓN

El ciclo respiratorio está compuesto por la oxigenación y la ventilación. Se trata de dos procesos fisiológicos independientes.

La oxigenación empieza con la entrada de aire en los pulmones gracias a una diferencia de gradiente de presión. En cuanto el O₂ llega al alveolo, éste se difunde a través de la membrana alveolo capilar. El O₂ se combina de forma reversible a la hemoglobina de los eritrocitos. Cada molécula de hemoglobina transporta el O₂ hasta la mitocondria, donde da lugar la respiración celular o respiración interna.

A nivel celular se produce la degradación de la biomolécula formándose el ácido pirúvico, el cual se desdobla en CO₂ y H₂O.

El CO₂ proveniente del desecho celular pasa al torrente sanguíneo; una parte se transforma en ácido carbónico (H₂CO₃) que se ioniza formando bicarbonato (HCO₃-) y protones (H+), y el resto se transporta a los pulmones disuelto en plasma unido a la hemoglobina donde será eliminado mediante la ventilación.

La ventilación es la inspiración y espiración de gases respiratorios, conocida también como respiración externa. El intercambio de O₂ y CO₂ ocurre en la zona respiratoria.

Bajo condiciones de salud normales, el paso de sangre a través de los capilares alveolares permite que la presión parcial de CO₂ en el aire alveolar coincida con la presión parcial de CO₂ en sangre arterial (PaCO₂, valor que obtenemos con la realización de una gasometría arterial (GSA)).

Con la capnografía, podemos monitorizar de manera no invasiva, continua y más rápida que la que podemos obtener con la muestra de sangre arterial, lo cual nos puede alarmar de manera precoz de cambios en la ventilación. El valor que recibe la medición del CO₂ espirado con la capnografía es el EtCO₂, valor que explicamos más detenidamente en el capítulo 3.

Para comprender la fisiología respiratoria debemos tener claros varios conceptos básicos:

• El número de respiraciones que logramos en un minuto se denomina frecuencia respiratoria (FR).
• La cantidad de aire que respiramos en una inspiración normal es llamado volumen corriente o volumen tidal (Vt).
• Si multiplicamos la FR por el Vt, obtenemos el valor Ventilación por minuto (Vm)
• Una porción del volumen corriente no participa en el intercambio de gases en la sangre, debido al espacio muerto de la zona conductora, esta cantidad de aire que respiramos en una inspiración normal es llamado volumen de espacio muerto (Vd)
• Para calcular la cantidad de gases que realmente llega a los alvéolos, conocido como volumen alveolar (VA) en cada minuto, debemos restar el Vt al Vd y multiplicarlo por la FR.  VA = (Vt-Vd)xFR

Para que la ventilación alveolar y la difusión de gases sean las adecuadas, todos los alveolos deben ser ventilados por igual, así como el flujo de sangre por los capilares pulmonares también debe ser el mismo para cada alveolo.

Para poder representar posibles variaciones, usaremos el concepto de relación ventilación alveolary perfusión (VA/Q), es decir la relación entre la ventilación pulmonar y flujo sanguíneo pulmonar. Esta relación es importante conocerla para poder entender las consecuencias de los distintos desequilibrios de la misma.

El valor normal del cociente VA/Q, que en la bibliografía también se representa como V/Q, es 0,8, significando que la ventilación alveolar (en L/min) es 80% del valor del flujo sanguíneo pulmonar (en L/min).

Por ejemplo, una persona que tiene VA de 4,2 L/min y un flujo pulmonar de 5 L/min, si hacemos la relación 4,2 / 5 nos resulta una relación de 0,8, es decir normal.

• Cuando la ventilación alveolar como la perfusión son equilibradas para el mismo alvéolo, se dice que la relación VA/Q es equilibrada o normal.
• Cuando la relación VA/Q es menor de lo normal (<0,8), significa que no hay suficiente O₂ necesario para oxigenar la sangre que circula por los capilares alveolares, por lo tanto, parte de la sangre venosa que circula por el capilar pulmonar no se oxigena. Nos encontramos ante el ejemplo de pulmón perfundido no ventilado.
• Cuando la relación VA/Q es mayor de lo normal (>0,8), significa que hay mayor cantidad de O₂ en los alvéolos que no se puede difundir en la sangre. Nos encontramos ante el ejemplo de pulmón ventilado no perfundido.

 Es importante tener en cuenta que, debido al efecto gravitacional, las partes inferiores del pulmón, las bases, hay menor ventilación que perfusión, es decir, mejor perfusión que ventilación, dando como resultado menor relación V/Q (menor O₂, mayor CO₂).

La parte superior del pulmón, los vértices, debido al efecto gravitacional tienen mayor ventilación que perfusión, por tanto, mayor ratio de V/Q (mayor O₂, menor CO₂).

Así pues, la relación V/Q no es constante en todo el pulmón, sino que hay una variación progresiva del ápex a la base.

Imagen 2. Fisiología de la respiración. Debido al efecto gravitacional la relación V/Q es progresiva del ápex a la base.

Existen dos situaciones comunes que pueden provocar alteraciones en la relación V/Q: espacio muerto alveolar y shunt pulmonar.

Cualquier elemento del sistema respiratorio que no forme parte del intercambio de gases es llamado espacio muerto. La existencia de espacio muerto en la vía aérea superior es normal y se llama espacio muerto anatómico; raramente cambia por la fisiopatología. Sin embargo, el espacio muerto de los alvéolos, donde hay el intercambio de gases, puede ser una indicación de fisiopatología como tromboembolismo pulmonar (TEP) o gasto cardiaco disminuido.  Nos encontramos ante un alveolo bien ventilado pero no perfundido.

Imagen 3. Ejemplo de disfunción V/Q con alveolo bien ventilado, pero no perfundido.

El shunt pulmonar puede ser visto como el opuesto al espacio muerto. El shunt pulmonar ocurre cuando áreas del pulmón son perfundidas, pero no ventiladas, esto puede ocurrir en condiciones que provocan que los alveólos se colapsen o se llenen de fluidos, con la presencia de secreciones bronquiales y alveolares incrementadas que causan taponamiento de moco o atelectasia.

Imagen 4. Ejemplo de disfunción V/Q con alveolo bien perfundido, pero mal ventilado, por ejemplo, en caso de neumonía. 

2.1. Principios básicos del CO₂

La medición del CO₂ exhalado se podrá ver afectada por 3 factores:

• El metabolismo: El CO₂ se produce en el tejido como subproducto del metabolismo.
• La perfusión: La sangre es el medio de transporte del CO₂ hasta los pulmones y la difusión en los alvéolos.
• La ventilación: Mediante la exhalación el CO₂ se elimina a través de la ventilación.

Alteraciones en cualquiera de estas 3 funciones estará reflejado en el CO₂.    

2.2. Fisiología del CO₂

Las células del cuerpo usan oxígeno para metabolizar carbohidratos, proteínas y lípidos para producir energía; este proceso es conocido como el ciclo de Krebs.

Imagen 5. Ciclo de Krebs.

Un subproducto sobrante de este proceso es el dióxido de carbono, el CO₂. Es producido principalmente durante la ruptura de los nutrientes para obtener energía en forma de ATP en las células. El CO₂ es transportado desde el nivel celular a los pulmones mediante el sistema vascular. El CO₂ es eliminado durante la espiración en el ciclo respiratorio.

Si no hay oxígeno disponible, se comienza un proceso llamado glucólisis anaeróbica. Este tipo de metabolismo anaeróbico da lugar a la producción de lactato, que causa la acidificación de la sangre.

El bulbo raquídeo es una porción del romboencéfalo que controla funciones automáticas como la respiración, digestión o el control de la frecuencia cardiaca. Por lo que refiere a la respiración, el bulbo raquídeo controla tanto la frecuencia como la profundidad de la respiración.  Si la concentración de CO₂ no es regulada, puede dar lugar a una acumulacion tóxica en la sangre, dando lugar a un fallo respiratorio.

Aunque el bulbo raquídeo es el mecanismo principal regulador de la respiración, existe un mecanismo secundario que también dirige la respiración en respuesta a la hipoxemia; este mecanismo excita los quimiorreceptores periféricos localizados en el sistema vascular de los cuerpos aórticos y carotídeos.

El CO₂ proveniente de los desechos celulares pasa a la sangre y es transportado fuera de la célula hacia el torrente sanguíneo. El CO₂ es más soluble que el O₂ y es transportado de manera libre en plasma, unido en la hemoglobina y en mayor proporción junto al ion bicarbonato y es descartado por el pulmón mediante el proceso denominado ventilación.

A mayor concentración de CO₂ en sangre, más ácido será el pH, y a menor concentración de CO₂, el pH será más alcalino.

El efecto Bohr describe la relación entre el pH en la sangre y la afinidad de la hemoglobina con el O₂. Cuando el pH en la sangre es bajo (ácido), la hemoglobina tiene una afinidad más baja de lo normal con el O₂. Por eso el O₂ se desata más rápidamente en el tejido. Por lo contrario, cuando el pH es alto (alcalino) la hemoglobina tiene mayor afinidad de lo normal con el O₂ haciéndolo menos disponible al tejido de lo normal.

El CO₂ está relacionado indirectamente con el pH en la sangre, así que cuando el CO₂ se eleva, el pH cae provocando acidosis. El pH en la sangre mayor 7,45 es conocido como alcalosis.

En individuos sanos, el cuerpo mantiene continuamente el pH en un rango normal, de 7,35 a 7,45.

2.3. Intercambio de gases

Las paredes alveolares son muy delgadas y sobre ellas hay una red casi sólida de capilares interconectados entre sí. El flujo de sangre por la pared alveolar es descrito como laminar y, por tanto, los gases alveolares están en proximidad estrecha con la sangre de los capilares.

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. Se calculan unos 300 millones de alvéolos en los dos pulmones.

La difusión del O₂ y del CO₂ a través de la membrana respiratoria logra el equilibrio en menos de 1 segundo, de modo que cuando la sangre abandona el alvéolo tiene una PO₂ de 100 mmHg y una PCO₂ de 40 mmHg, exactamente el mismo valor que las presiones parciales de los dos gases en el alvéolo. 

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