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Los mecanismos reguladores químicos ajustan la ventilación de tal manera que en estados normales, la PCO2 alveolar se mantiene constante, se combaten los efectos del exceso de hidrogeniones en sangre y la PO2 se eleva cuando disminuye a un nivel que pudiera ser peligroso. El volumen respiratorio por minuto es proporcional a la tasa metabólica, pero el vínculo entre el metabolismo y la ventilación es el dióxido de carbono, no el oxígeno. Los receptores de los cuerpos carotídeos y aórticos se estimulan por el aumento de la PCO2 o la concentración de hidrogeniones en la sangre arterial, o por el descenso de la PO2. Después de la desnervación de los quimiorreceptores carotídeos, se suprime la respuesta a un decremento en la PO2; el efecto predominante de la hipoxia después de la desnervación de los cuerpos carotídeos es una depresión directa del centro respiratorio. La respuesta a los cambios en la concentración sanguínea arterial de hidrogeniones en el intervalo de pH de 7.3 a 7.5 también se destruye, aunque los cambios más intensos pueden tener algún efecto. Por otro lado, la reacción a los cambios en la PCO2 arterial solo se altera un poco; esta se reduce no más de 30 a 35%.
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CUERPOS CAROTÍDEOS Y AÓRTICOS
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Hay un cuerpo carotídeo cerca de la bifurcación carotídea en ambos lados y casi siempre se observan dos o más cuerpos aórticos cerca del cayado aórtico (fig. 36-4). Cada cuerpo (glomo) carotídeo y aórtico contiene islas de dos tipos de células: I y II, que se encuentran rodeadas por capilares sinusoidales fenestrados. Las células del glomo o tipo I están muy relacionadas con terminaciones cóncavas en los nervios aferentes (fig. 36-5). Las células del glomo se parecen a las células cromafines suprarrenales; presentan densos gránulos centrales que contienen catecolaminas, que se liberan por la exposición a hipoxia y cianuro. Las células se estimulan por la hipoxia y parece que el principal transmisor es la dopamina, la cual estimula las terminaciones nerviosas mediante los receptores D2. Las células tipo II son parecidas a las gliales y cada una rodea a cuatro a seis células tipo I. La función de las células tipo II no está completamente definida.
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Fuera de la cápsula de cada cuerpo, las fibras nerviosas adquieren una vaina de mielina, pero solo miden 2 a 5 μm de diámetro y conducen a una velocidad relativamente lenta de 7 a 12 m/s. Las aferentes de los cuerpos carotídeos ascienden al bulbo raquídeo por el seno carotídeo y los nervios glosofaríngeos; las células de los cuerpos aórticos ascienden por los vagos. Los estudios en los que se aísla un cuerpo carotídeo y se perfunde mientras se registra la actividad de sus fibras nerviosas aferentes, muestran la aparición de un aumento gradual en el tránsito de los impulsos de estas fibras aferentes conforme disminuye la PO2 o aumenta la PCO2 de tales fibras aferentes (fig. 36-6).
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Las células del glomo tipo I tienen conductos de potasio sensibles al oxígeno, cuya conductancia se reduce en proporción al grado de hipoxia al que se exponen. Esto disminuye la salida de iones de potasio (K+), despolariza la célula e induce entrada de iones de calcio (Ca2+), sobre todo por los conductos de calcio tipo L. La entrada de calcio inicia potenciales de acción y liberación de transmisor, con la excitación subsiguiente de las terminaciones nerviosas aferentes. El músculo liso de las arterias pulmonares posee conductos de potasio similares sensibles al oxígeno, que median la vasoconstricción causada por la hipoxia. Esto contrasta con las arterias sistémicas, que contienen conductos de potasio dependientes de trifosfato de adenosina (ATP); ellos hacen posible mayor salida de iones potasio con la hipoxia y, por consiguiente, inducen vasodilatación en lugar de vasoconstricción.
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El flujo sanguíneo de cada 2 mg del cuerpo carotídeo es cercano a 0.04 ml/min, o 2 000 ml/100 g de tejido/min, en comparación con un flujo sanguíneo de 54 ml o 420 ml/100 g/min en el cerebro y los riñones, respectivamente. Como el flujo sanguíneo por unidad de tejido es enorme, las necesidades de oxígeno de las células pueden satisfacerse en gran medida solo con el oxígeno disuelto. Por tanto, los receptores no se estimulan en estados patológicos, como anemia o intoxicación por monóxido de carbono, en los que la cantidad de oxígeno disuelto en la sangre que llega a los receptores suele ser normal, aunque el oxígeno combinado en la sangre esté muy disminuido. Los receptores se estimulan cuando la PO2 arterial es baja y si disminuye la cantidad de oxígeno que llega a los receptores por unidad de tiempo a causa de estasis vascular. El cianuro También genera estimulación potente, ya que impide la utilización del oxígeno en los tejidos. En dosis suficientes, la nicotina y la lobelina activan los quimiorreceptores. Asimismo, hay informes de que la infusión de potasio aumenta la velocidad de descarga en las aferentes de los quimiorreceptores, y este incremento tal vez contribuya a la hiperpnea inducida por el ejercicio.
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Por su ubicación anatómica, los cuerpos aórticos no se han estudiado con tanto detalle como los carotídeos. Es probable que sus respuestas sean similares, pero de menor magnitud. En seres humanos con extirpación de los cuerpos carotídeos, pero con los aórticos intactos, las respuestas son las mismas comparadas con la desnervación de los cuerpos carotídeos y aórticos en animales: poco cambio de la ventilación en reposo, pero pérdida de la respuesta ventilatoria a la hipoxia y reacción ventilatoria al dióxido de carbono reducida 30%.
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En las vías respiratorias, se encuentran los cuerpos neuroepiteliales, compuestos por cúmulos inervados de células que contienen amina. Tales células tienen una corriente de potasio ionizado hacia el exterior que se reduce con la hipoxia, lo cual se esperaría que generara despolarización. Sin embargo, se desconoce la función de estas células sensibles a la hipoxia porque, como se indicó antes, la eliminación de los cuerpos carotídeos solos elimina la respuesta respiratoria a la hipoxia.
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QUIMIORRECEPTORES EN EL TRONCO DEL ENCÉFALO
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Los quimiorreceptores que median la hiperventilación producida por aumento en la PCO2 arterial después de la desnervación de los cuerpos carotídeos y aórticos, se localizan en el bulbo raquídeo y, por consiguiente, se llaman quimiorreceptores bulbares. Están separados de las neuronas respiratorias dorsales y ventrales, y se sitúan en la superficie ventral del bulbo raquídeo (fig. 36-7). Los indicios recientes indican que los quimiorreceptores adicionales se encuentran en la vecindad del núcleo del haz solitario, el locus cerúleo y el hipotálamo.
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Los quimiorreceptores vigilan la concentración de hidrogeniones en el líquido cefalorraquídeo (LCR), incluido el líquido intersticial cerebral. El dióxido de carbono penetra con facilidad las membranas, también la barrera hematoencefálica, en tanto los hidrogeniones y el bicarbonato (HCO3–) las atraviesan despacio. El dióxido de carbono que ingresa al cerebro y al líquido cefalorraquídeo se hidrata pronto. El H2CO3 se disocia, por lo que la concentración local de hidrogeniones se eleva. La concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cerebral es paralela a la PCO2 arterial. Los cambios experimentales en la PCO2 del LCR tienen efectos menores y variables en la respiración, siempre que la concentración de hidrogeniones se mantenga constante, pero cualquier incremento en dicha concentración en el líquido cefalorraquídeo estimula la respiración. La magnitud de la estimulación es proporcional al aumento en la concentración de hidrogeniones. Por tanto, los efectos del dióxido de carbono en la respiración se deben sobre todo a su desplazamiento hacia el líquido cefalorraquídeo y el líquido intersticial cerebral, donde aumenta la cifra de hidrogeniones y estimula los receptores sensibles a los iones de hidrógeno.
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RESPUESTAS VENTILATORIAS A LOS CAMBIOS EN EL EQUILIBRIO ACIDOBÁSICO
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En la acidosis metabólica generada, por ejemplo por acumulación de cuerpos cetónicos ácidos en la circulación de pacientes diabéticos, existe una estimulación respiratoria pronunciada (respiración de Kussmaul). La hiperventilación disminuye la PCO2 alveolar (“expulsa el dióxido de carbono”) y así produce un descenso compensador en la concentración sanguínea de hidrogeniones. Por el contrario, en la alcalosis metabólica causada, por ejemplo, por el vómito prolongado con pérdida de ácido clorhídrico, la ventilación se deprime y la PCO2 se eleva, lo cual incrementa la concentración de hidrogeniones hacia el valor normal. Si hay un aumento ventilatorio que no se deba al aumento de la concentración arterial de hidrogeniones, la caída de la PCO2 reduce la concentración de estos por debajo de lo normal (alcalosis respiratoria); por el contrario, la hipoventilación que no es consecutiva a la disminución de la concentración plasmática de hidrogeniones, causa acidosis respiratoria.
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RESPUESTAS VENTILATORIAS AL DIÓXIDO DE CARBONO
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La PCO2 arterial normal se conserva en 40 mmHg. Cuando la PCO2 arterial se eleva a causa del aumento en el metabolismo, se estimula la ventilación y se incrementa la velocidad de excreción pulmonar de dióxido de carbono hasta que la PCO2 se normaliza, lo cual termina con el estímulo. La operación de este mecanismo de retroalimentación conserva la excreción y la producción de dióxido de carbono en equilibrio.
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Cuando se inhala una mezcla de gas que contiene CO2, la presión alveolar de este compuesto se eleva, lo cual aumenta la PCO2 arterial y estimula la ventilación en cuanto la sangre que contiene más dióxido de carbono llega al bulbo raquídeo. La eliminación de este último gas se incrementa y la PCO2 alveolar regresa a la normalidad. Por tal razón, las elevaciones grandes en la PCO2 del gas inspirado (p. ej., 15 mmHg) generan aumentos relativamente pequeños en la PCO2 alveolar (p. ej., 3 mmHg). Sin embargo, esta última no regresa a lo normal y se alcanza un nuevo equilibrio en el que se encuentra un poco elevada y la hiperventilación persiste, siempre que se inhale dióxido de carbono. La relación lineal entre el volumen respiratorio por minuto y la PCO2 alveolar se muestra en la figura 36-8.
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Por supuesto que esta linealidad tiene un límite superior. Cuando la PCO2 del gas inspirado está cerca de la PCO2 alveolar, la eliminación de este gas se vuelve difícil. Cuando el contenido de dióxido de carbono en el gas inspirado es mayor de 7%, las PCO2 alveolar y arterial empiezan a incrementarse de manera súbita a pesar de la hiperventilación. La acumulación resultante de dióxido de carbono en el organismo (hipercapnia) deprime al SNC, incluido el centro respiratorio; ocurre cefalea, confusión y, al final, coma (narcosis por dióxido de carbono).
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RESPUESTA VENTILATORIA A LA DEFICIENCIA DE OXÍGENO
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Si el contenido de oxígeno del aire inspirado disminuye, el volumen ventilatorio por minuto aumenta. La estimulación es ligera cuando la PO2 en el aire inspirado es mayor de 60 mmHg y solo hay una estimulación marcada con cifras menores de PO2 (fig. 36-9). Sin embargo, cualquier disminución en la PO2 arterial por debajo de 100 mmHg causa incremento en la descarga de los nervios de los quimiorreceptores carotídeo y aórtico. Hay dos razones por las que este incremento en el tránsito de impulsos no aumenta la ventilación en cualquier medida en personas normales, hasta que la PO2 es menor de 60 mmHg. Primero, como la hemoglobina es un ácido más débil que la oxihemoglobina (HbO2), existe un leve descenso en la concentración de hidrogeniones en sangre arterial cuando la PO2 arterial se halla menos saturada con oxígeno. La disminución en la concentración de hidrogeniones tiende a inhibir la respiración. Además, cualquier incremento en la ventilación que ocurra reduce la PCO2 alveolar, y esto también tiende a impedir la respiración. Por tanto, los efectos estimulantes de la hipoxia en la ventilación no son muy manifiestos hasta que se tornan lo bastante fuertes para rebasar los efectos inhibidores contrarios de un declive en la concentración arterial de hidrogeniones y la PCO2.
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En la figura 36-10 se grafican los efectos ventilatorios del descenso de la PO2 alveolar mientras se conserva constante la PCO2 alveolar. Cuando esta última se estabiliza en un nivel de 2 a 3 mmHg por arriba de lo normal, existe una relación inversa entre la ventilación y la PO2 alveolar, incluso en el intervalo de 90 a 110 mmHg, pero cuando la PCO2 alveolar se fija en valores menores de lo normal, la hipoxia no estimula la ventilación hasta que la PO2 alveolar caiga por debajo de 60 mmHg.
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EFECTOS DE LA HIPOXIA EN LA CURVA DE RESPUESTA DEL DIÓXIDO DE CARBONO
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Cuando se realiza el experimento contrario, es decir, cuando la PO2 se mantiene constante mientras se prueba la respuesta a cantidades variables de dióxido de carbono inspirado, se obtiene una reacción lineal (fig. 36-11). Si se valora la respuesta de dióxido de carbono a distintos valores fijos de PO2, la pendiente de la curva de respuesta cambia, se hace más marcada si disminuye la PO2 alveolar. En otras palabras, la hipoxia vuelve al individuo más sensible a los aumentos en la PCO2 arterial. Sin embargo, no se modifica el nivel de PCO2 alveolar en el que las curvas de la figura 36-11 se cruzan. En la persona normal, esta cifra umbral está justo debajo de la PCO2 alveolar normal, lo cual indica que en condiciones habituales hay un “impulso del dióxido de carbono” ligero, pero definitivo, en el área respiratoria.
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EFECTO DE LOS HIDROGENIONES EN LA RESPUESTA DEL DIÓXIDO DE CARBONO
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Los efectos estimulantes de los hidrogeniones y el dióxido de carbono en la respiración parecen ser aditivos y no complejamente interrelacionados, como los de dióxido de carbono y el oxígeno. En la acidosis metabólica, las curvas de respuesta al dióxido de carbono son similares a las de la figura 36-11, salvo que se desvían a la izquierda. En otras palabras, aparece una estimulación respiratoria de la misma magnitud con cifras arteriales más bajas de PCO2. Se calcula que la curva de respuesta del dióxido de carbono se desvía 0.8 mmHg a la izquierda por cada nanomol de aumento en los hidrogeniones arterial. Se elimina cerca de 40% de la reacción ventilatoria al dióxido de carbono si se previene el aumento del hidrogenión arterial causado por este gas. Como se indicó antes, tal vez 60% restante se deba al efecto del dióxido de carbono en el líquido espinal o a la concentración de hidrogeniones en el líquido intersticial cerebral.
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La respiración puede inhibirse por control voluntario por algún tiempo, pero al final se vence este control. El punto en el que la respiración ya no puede impedirse de forma voluntaria se llama punto de quiebre. Este se debe al aumento de la PCO2 arterial y al descenso de la PO2. Las personas pueden detener la respiración más tiempo luego de eliminar los cuerpos carotídeos. La respiración de oxígeno al 100% antes de detener la respiración eleva la PO2 al principio, por lo que el punto de quiebre se retrasa. Lo mismo se aplica a la hiperventilación de aire ambiental, ya que se expulsa dióxido de carbono y la PCO2 es más baja al principio. Al parecer hay factores reflejos o mecánicos que influyen en el punto de quiebre, ya que los sujetos que pausan la respiración lo más posible y luego respiran una mezcla gaseosa baja en oxígeno y alta en dióxido de carbono pueden detener la respiración por cerca de 20 s más. Los factores psicológicos también participan y los sujetos pueden interrumpir la respiración más tiempo cuando se les dice que su desempeño es muy bueno en comparación a cuando no se les dice.