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El intercambio de gases entre la sangre de los animales y el medio externo es el proceso conocido como hematosis. En el ser humano tiene lugar en los alvéolos pulmonares, las estructuras terminales del árbol bronquial dónde el oxígeno del aire pasa al torrente circulatorio y el dióxido de carbono es expulsado al aire desde la sangre.

El intercambio de gases en los pulmones también se suele referir como respiración externa, para diferenciarla de la respiración celular o respiración interna, que son las reacciones que tienen lugar en la mitocondria y de las cuales se obtiene la energía necesaria para los diferentes procesos celulares. Estas reacciones consumen el oxígeno absorbido en los pulmones y producen dióxido de carbono como uno de sus productos finales.

Alvéolos y barrera alvéolo-capilar

Los alvéolos son los divertículos terminales del árbol respiratorio que aparecen al final de los bronquiolos, y son la unidad estructural básica del intercambio de gases. Tienen una pared muy delgada y están rodeados de numerosos capilares.

alvéolos
Estructura de los alvéolos

La mayor parte de la superficie alveolar, el 95%, está ocupada por neumocitos tipo 1, que son las células especializadas en el intercambio de gases. Forman un epitelio simple escamoso muy delgado, tienen pocos orgánulos y cuentan con uniones estrechas entre ellos.

Otro tipo de neumocitos, el tipo 2, puede llegar a representar el 60% de todos los neumocitos en número pero ocupan solo el 5% de la superficie. Los neumocitos tipo 2 no participan en el intercambio de gases, su función es la producción y renovación del llamado surfactante pulmonar, una mezcla de fosfolípidos y proteínas que disminuye la tensión superficial de los álvelos, evita su colapso durante la espiración y protege frente a bacterias y virus.

En el tejido conectivo de los alvéolos se pueden encontrar células inmunitarias, principalmente macrófagos, que fagocitan partículas externas que puedan ser dañinas. Los macrófagos también están presentes en la luz alveolar.

En las zonas dónde se produce la mayor tasa de intercambio de gases, las paredes alveolares suelen ser más delgadas y están recubiertas por la llamada barrera alvéolo-capilar, barrera sangre-aire o barrera hemato-gaseosa, que está formada por:

  1. El surfactante pulmonar en la superficie alveolar.
  2. Neumocitos tipo I del epitelio alveolar.
  3. Láminas basales del neumocito y del endotelio capilar fusionadas.
  4. Células endoteliales de los capilares

La barrera alvéolo-capilar es muy delgada, con un grosor que puede variar desde 2 μm hasta 600 nm en algunas zonas. Es permeable al oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) y otros muchos gases. En cada pulmón hay aproximadamente 350 millones de alvéolos, cada uno con un diámetro comprendido entre 75 y 300 μm, ofreciendo una superficie total de unos 140 m2 entre los dos pulmones.

El proceso de absorción

La absorción de oxígeno en la superficie alveolar se produce por difusión pasiva, un fenómeno que consiste en el movimiento espontáneo de moléculas desde zonas de mayor concentración hacia zonas de menor concentración.

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La ventilación pulmonar permite renovar el aire de los sacos alveolares para mantener alta la concentración de oxígeno, mientras que la circulación sanguínea renueva el contenido de los capilares pulmonares trayendo sangre pobre en oxígeno. Así se mantiene el gradiente de concentración que hace posible la difusión del oxígeno desde el aire hacia la circulación sanguínea.

La concentración de oxígeno en el aire inspirado es de aproximadamente un 21%, pero en el aire alveolar es de aproximadamente un 17%. Esta caída se debe a que los alvéolos no se vacían del todo durante la espiración, sino que queda un volumen de aire residual y sólo se renueva una séptima parte. También influye la humidificación del aire inspirado a su paso por las vías respiratorias.

El aire espirado tiene una concentración de oxígeno aproximada del 16%. La diferencia de concentración entre el aire inspirado y el aire espirado es la cantidad de oxígeno absorbida.

La liberación de dióxido de carbono se produce también por difusión. La sangre de los capilares pulmonares es rica en dióxido de carbono y sus moléculas fluyen por difusión hacia el aire del saco alveolar. El aire inspirado tiene una concentración de CO2 del 0.04%, en el aire espirado el CO2 alcanza el 4%. La absorción de O2 y la liberación CO2 es un proceso simultáneo, de ahí que sea común que la hematosis se refiera como “intercambio de gases”.

Principios físicos del intercambio de gases

La difusión pasiva por la que se produce el intercambio de gases es un fenómeno espontáneo, lo que quiere decir que no requiere de aporte energético para transportar las moléculas hacia el interior del organismo. La difusión pasiva a través de una membrana sigue las Leyes de Fick; de ellas se llega a que la cantidad de gas que difunde a través de una membrana es igual a:

Ley de Fick en la absorción de oxigeno

Dónde:

  • J es el flujo de gas
  • A es el área o superficie de absorción
  • dq es el gradiente de concentración
  • dt es el tiempo transcurrido

El tiempo del que se dispone para el intercambio de gases en los alvéolos es de aproximadamente 1 segundo. Para aumentar la cantidad de oxígeno que se absorbe en tan poco tiempo, la superficie de absorción que ofrece el conjunto de alvéolos es de unos 140 m2, 70 m2 en cada pulmón.

Referencias

  1. , Borge, M. J. N. (17 Mayo 2011). Tema 4. Intercambio de gases en el pulmón.Universidad de Cantabria.

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