Respiración: dióxido de carbono y oxígeno
Introducción.
La transferencia de gases, oxígeno y dióxido de carbono se produce a través de superficies respiratorias, como: la propia superficie corporal, los sistemas traqueales, las branquias y los pulmones, las cuales profundizamos en la semana anterior.
Cada una de estas estructuras especializadas está adaptada para obtener oxígeno de forma eficiente, en un ambiente determinado.
El intercambio gaseoso comprende la captación de oxígeno molecular (02) del ambiente y la liberación de dióxido de carbono (C02) hacia el exterior (Fig. 1); este intercambio es necesario para mantener la producción de energía (ATP) en la respiración celular y, generalmente, incluye la participación de los sistemas respiratorio y circulatorio del animal. La fuente de 02 es denominada medio respiratorio; para los animales terrestres, este medio es el aire y para la mayoría de los acuáticos, es el agua.
Figura 1. Esquema de intercambio gaseoso: captación de oxígeno molecular (02) del ambiente y liberación del dióxido de carbono (C02) hacia el exterior.
En los animales, tanto la necesidad de oxígeno como la producción de dióxido de carbono aumentan en función de la masa corporal del organismo. Por otra parte, la tasa de transferencia de los gases se encuentra estrechamente relacionada con el área de superficie corporal.
En animales de menor tamaño, las distancias de difusión son muy pequeñas, mientras que la relación superficie/volumen corporal es muy grande. En los animales que presentan un mayor tamaño, las distancias de difusión sufren un incremento, mientras que la relación superficie/volumen corporal disminuye considerablemente, por lo cual desarrollan determinadas áreas especializadas que aumentan la superficie de contacto necesaria para el intercambio de gases entre las células y el medio externo.
1. Gradientes de presión parcial
Los gases se difunden por gradientes de presión en los pulmones y otros órganos. La difusión de un gas, presente en el aire o disuelto en agua, depende de las diferencias en una cantidad denominada presión parcial.
A nivel del mar, el aire ejerce una presión de 1 atmósfera; suficiente para mantener una columna de mercurio (Hg) a 760 mm (razón por la cual la presión se mide en mm Hg). La presión es un elemento importante en el intercambio gaseoso, por ejemplo: la sangre llega a los pulmones a través de las arterias pulmonares, donde hay una presión de O2 menor y de CO2 mayor (Fig. 2).
Estamos acostumbrados al aire que nos rodea y entra a nuestras vías respiratorias, que no somos conscientes de sus efectos en nuestro organismo; solo cuando la presión varía, rápidamente experimentamos cambios en nuestro cuerpo. A medida que aumenta la altitud, baja la presión atmosférica y la concentración de oxígeno en el aire; por eso, a grandes alturas puede producirse taquicardia, hiperventilación y dolor de cabeza, entre otros.
Figura 2. Diferentes presiones inmediatamente antes del inicio de la inspiración.
2. Transporte de oxígeno
Una vez que el oxígeno pasa a la sangre capilar en los alvéolos pulmonares, debe distribuirse por todo el organismo para satisfacer los requerimientos de las células, las cuales necesitan este elemento de forma prioritaria. Tras difundirse a través de las paredes de los distintos epitelios respiratorios, el oxígeno se une a un pigmento respiratorio, que es un complejo proteínico y de iones metálicos que posee la peculiaridad de presentar una coloración característica, la cual varía y cambia en proporción al contenido en oxígeno.
El pigmento respiratorio provoca un aumento considerable del contenido de oxígeno en la sangre, una vez que se combina con el oxígeno. La ausencia de pigmentos respiratorios en la sangre disminuiría su contenido en oxígeno.
La hemoglobina es una proteína que consta de cuatro subunidades, cada una con un grupo hemo que contiene un átomo de hierro en su centro y es el que se une al oxígeno, por lo que cada molécula de hemoglobina puede transportar hasta cuatro moléculas de O2 (Fig. 3). Como todos los pigmentos respiratorios, la unión de la hemoglobina al O2 tiene que ser reversible, ya que debe liberar este gas en todos los tejidos del organismo.
La hemoglobina es el pigmento respiratorio de casi todos los vertebrados, pero en los invertebrados se presenta mayor variedad. Está presente en la sangre de determinados grupos de invertebrados, como los anélidos (Fig. 4), y varios grupos de moluscos. En los artrópodos se puede observar dentro de los insectos, en las larvas de unos mosquitos no picadores y en los quironómidos (larvas rojas se usan comúnmente en pesca y acuariofilia).
Figura 3. Esquema de la captación y liberación de 02 por la hemoglobina.
Figura 4. Lombriz de tierra. (Fotografía: Patricia Maine Degrave en Pixabay)
La hemocianina, presente en la sangre de algunos crustáceos, artrópodos y muchos moluscos (Fig. 5), tiene dos átomos de cobre (Cu) como componente de unión al oxígeno; en combinación con el oxígeno presenta una coloración azulada y en ausencia de este, es incolora.
La cantidad de hemocianina contenida en la sangre varía considerablemente en las diferentes especies, aún dentro de los miembros de la misma especie.
Figura 5. Pulpo, representante de especies con hemocianina, el cual se encarga de transportar el oxígeno y da a su sangre un color azulado. (Fotografía: Seen en Pexels)
La hemeritrina se encuentra presente en la sangre de grupos distintos, como: los priapúlidos, los anélidos y los braquiópodos. Es esencialmente incolora cuando está desoxigenada y de tono violeta-rosa cuando está oxigenada; el sitio al que se une consta de un par de centros de hierro (Fe). No contiene el grupo hemo, el cual está presente únicamente en la hemoglobina. En este caso, el término hemeritrina proviene del griego y significa "sangre" (Fig. 6).
Figura 6. Molécula de hemeritrina, consta de un par de átomos de hierro.
3. Transporte de dióxido de carbono
Además de su papel en el transporte de oxígeno, la hemoglobina también participa en el transporte de CO2 y contribuye en la amortiguación del pH, es decir, evita los cambios nocivos en el pH sanguíneo. Solo cerca del 7% del CO2 es liberado por las células que respiran y se transporta en solución, en el plasma sanguíneo. Otro 23% se une a los múltiples grupos amino de la hemoglobina y cerca del 70% es transportado en la sangre, en forma de iones bicarbonato (HC03-). El dióxido de carbono de las células que respiran se difunde hacia el plasma sanguíneo y luego hacia los eritrocitos (glóbulos rojos). (Fig. 7).
Figura 7. Intercambio de gases entre los espacios alveolares y los capilares. (Fuente: MERCK MANUALES)
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Resuelve
¿Cuál es la función de los pigmentos respiratorios? Explica.
Completa el cuadro con los pigmentos respiratorios vistos en esta clase:
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