16.3: Sistemas Circulatorio y Respiratorio

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Los animales son organismos multicelulares complejos que requieren un mecanismo para transportar nutrientes a través de sus cuerpos y eliminar desechos. El sistema circulatorio humano tiene una compleja red de vasos sanguíneos que llegan a todas las partes del cuerpo. Esta extensa red suministra oxígeno y nutrientes a las células, tejidos y órganos, y elimina el dióxido de carbono y los compuestos de desecho.

El medio para el transporte de gases y otras moléculas es la sangre, que circula continuamente por el sistema. Las diferencias de presión dentro del sistema provocan el movimiento de la sangre y son creadas por el bombeo del corazón.

El intercambio de gases entre los tejidos y la sangre es una función esencial del sistema circulatorio. En humanos, otros mamíferos y aves, la sangre absorbe oxígeno y libera dióxido de carbono en los pulmones. Así, el sistema circulatorio y respiratorio, cuya función es obtener oxígeno y descargar dióxido de carbono, trabajan en tándem.

El Sistema Respiratorio

Respira y aguanta. Espera varios segundos y luego déjalo salir. Los humanos, cuando no se están esforzando, respiran aproximadamente 15 veces por minuto en promedio. Esto equivale a unas 900 respiraciones por hora o 21,600 respiraciones diarias. Con cada inhalación, el aire llena los pulmones, y con cada exhalación, vuelve a salir corriendo. Ese aire está haciendo algo más que inflar y desinflar los pulmones en la cavidad torácica. El aire contiene oxígeno que cruza el tejido pulmonar, ingresa al torrente sanguíneo y viaja a órganos y tejidos. Allí, el oxígeno se intercambia por dióxido de carbono, que es un material de desecho celular. El dióxido de carbono sale de las células, ingresa al torrente sanguíneo, viaja de regreso a los pulmones y expira fuera del cuerpo durante la exhalación.

La respiración es a la vez un evento voluntario e involuntario. La frecuencia con la que se toma un aliento y la cantidad de aire que se inhala o exhala es regulada por el centro respiratorio en el cerebro en respuesta a las señales que recibe sobre el contenido de dióxido de carbono de la sangre. No obstante, es posible anular esta regulación automática para actividades como hablar, cantar y nadar bajo el agua.

Durante la inhalación el diafragma desciende creando una presión negativa alrededor de los pulmones y comienzan a inflarse, aspirando aire del exterior del cuerpo. El aire ingresa al cuerpo a través de la cavidad nasal ubicada justo dentro de la nariz (Figura\(\PageIndex{1}\)). A medida que el aire pasa a través de la cavidad nasal, el aire se calienta a la temperatura corporal y se humedece por la humedad de las membranas mucosas. Estos procesos ayudan a equilibrar el aire con las condiciones del cuerpo, reduciendo cualquier daño que pueda causar el aire frío y seco. La materia particulada que está flotando en el aire es eliminada en los conductos nasales por pelos, moco y cilios. El aire también es muestreado químicamente por el sentido del olfato.

Desde la cavidad nasal, el aire pasa a través de la faringe (garganta) y la laringe (caja de voz) a medida que avanza hacia la tráquea (Figura\(\PageIndex{1}\)). La función principal de la tráquea es canalizar el aire inhalado hacia los pulmones y el aire exhalado de nuevo fuera del cuerpo. La tráquea humana es un cilindro, de unos 25 a 30 cm de largo, que se asienta frente al esófago y se extiende desde la faringe hasta la cavidad torácica hasta los pulmones. Está hecho de anillos incompletos de cartílago y músculo liso. El cartílago proporciona fuerza y soporte a la tráquea para mantener el paso abierto. La tráquea está revestida de células que tienen cilios y secretan moco. El moco atrapa partículas que han sido inhaladas, y los cilios mueven las partículas hacia la faringe.

El extremo de la tráquea se divide en dos bronquios que ingresan al pulmón derecho e izquierdo. El aire ingresa a los pulmones a través de los bronquios primarios. El bronquio primario se divide, creando bronquios de menor y menor diámetro hasta que los pasajes son menores de 1 mm (.03 pulgadas) de diámetro cuando se llaman bronquiolos a medida que se dividen y se propagan a través del pulmón. Al igual que la tráquea, los bronquios y bronquiolos están hechos de cartílago y músculo liso. Los bronquios están inervados por nervios tanto del sistema nervioso parasimpático como simpático que controlan la contracción muscular (parasimpático) o la relajación (simpático) en los bronquios y bronquiolos, dependiendo de las señales del sistema nervioso. Los bronquiolos finales son los bronquiolos respiratorios. Los conductos alveolares están unidos al extremo de cada bronquiolo respiratorio. Al final de cada conducto se encuentran sacos alveolares, cada uno con 20 a 30 alvéolos. El intercambio de gases ocurre solo en los alvéolos. Los alvéolos son de paredes delgadas y parecen pequeñas burbujas dentro de los sacos. Los alvéolos están en contacto directo con los capilares del sistema circulatorio. Tal contacto íntimo asegura que el oxígeno se difundirá desde los alvéolos hacia la sangre. Además, el dióxido de carbono se difundirá de la sangre hacia los alvéolos para ser exhalado. La disposición anatómica de los capilares y alvéolos enfatiza la relación estructural y funcional de los sistemas respiratorio y circulatorio. Las estimaciones para la superficie de los alvéolos en los pulmones varían alrededor de 100 m ². Esta amplia área es aproximadamente el área de media cancha de tenis. Esta gran superficie, combinada con la naturaleza de paredes delgadas de las células alveolares, permite que los gases se difundan fácilmente a través de las células.

CONEXIÓN ARTE

La ilustración muestra el flujo de aire a través del sistema respiratorio humano. La cavidad nasal es una cavidad ancha por encima y detrás de las fosas nasales, y la faringe es el pasaje detrás de la boca. La cavidad nasal y la faringe se unen y entran en la tráquea a través de la laringe. La laringe es algo más ancha que la tráquea y plana. La tráquea tiene surcos concéntricos en forma de anillo, lo que le da un aspecto lleno de baches. La tráquea se bifurca en dos bronquios primarios, que también están ranurados. Los bronquios primarios ingresan a los pulmones y se ramifican en bronquios secundarios. Los bronquios secundarios a su vez se ramifican en muchos bronquios terciarios. Los bronquios terciarios se ramifican en bronquiolos, que se ramifican en bronquiolos terminales. Cada bronquiolo terminal termina en un saco alveolar. Cada saco alveolar contiene muchos alvéolos agrupados, como racimos de uvas. El conducto alveolar es el paso de aire hacia el saco alveolar. Los alvéolos son huecos y el aire desemboca en ellos. Las arterias pulmonares llevan la sangre desoxigenada al saco alveolar (y así aparecen azules), y las venas pulmonares devuelven la sangre oxigenada (y así aparecen rojas) al corazón. Los capilares forman una red alrededor de cada alvéolo. El diafragma es una membrana que empuja hacia arriba contra los pulmones. — **Figura\(\PageIndex{1}\):** El aire ingresa al sistema respiratorio a través de la cavidad nasal, y luego pasa a través de la faringe y la tráquea hacia los pulmones. (crédito: modificación de obra por parte del NCI)

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio humano es falsa?

Cuando respiramos, el aire viaja desde la faringe hasta la tráquea.
Los bronquiolos se ramificaron en bronquios.
Los conductos alveolares se conectan a sacos alveolares.
El intercambio de gases entre los pulmones y la sangre tiene lugar en el alvéolo.

CONCEPT EN ACCIÓN

Mira este video para una revisión del sistema respiratorio.

El Sistema Circulatorio

El sistema circulatorio es una red de vasos —las arterias, las venas y los capilares— y una bomba, el corazón. En todos los organismos vertebrados se trata de un sistema de bucle cerrado, en el que la sangre se separa en gran medida del otro compartimento del fluido extracelular del cuerpo, el líquido intersticial, que es el líquido que baña las células. La sangre circula dentro de los vasos sanguíneos y circula unidireccionalmente desde el corazón alrededor de una de las dos vías circulatorias, luego vuelve nuevamente al corazón; este es un sistema circulatorio cerrado. Los sistemas circulatorios abiertos se encuentran en animales invertebrados en los que el líquido circulatorio baña los órganos internos directamente a pesar de que puede moverse con un corazón bombeando.

El Corazón

El corazón es un músculo complejo que consta de dos bombas: una que bombea sangre a través de la circulación pulmonar a los pulmones, y la otra que bombea sangre a través de la circulación sistémica al resto de los tejidos del cuerpo (y al corazón mismo).

El corazón es asimétrico, siendo el lado izquierdo más grande que el lado derecho, correlacionándose con los diferentes tamaños de los circuitos pulmonar y sistémico (Figura\(\PageIndex{2}\)). En los humanos, el corazón es aproximadamente del tamaño de un puño cerrado; se divide en cuatro cámaras: dos aurículas y dos ventrículos. Hay una aurícula y un ventrículo en el lado derecho y una aurícula y un ventrículo en el lado izquierdo. La aurícula derecha recibe sangre desoxigenada de la circulación sistémica a través de las venas principales: la vena cava superior, que drena sangre de la cabeza y de las venas que provienen de los brazos, así como la vena cava inferior, que drena sangre de las venas que provienen de los órganos inferiores y las piernas . Esta sangre desoxigenada pasa luego al ventrículo derecho a través de la válvula tricúspide, lo que impide el reflujo de la sangre. Después de que se llena, el ventrículo derecho se contrae, bombeando la sangre a los pulmones para su reoxigenación. La aurícula izquierda recibe la sangre rica en oxígeno de los pulmones. Esta sangre pasa a través de la válvula bicúspide hasta el ventrículo izquierdo donde se bombea la sangre hacia la aorta. La aorta es la arteria principal del cuerpo, llevando sangre oxigenada a los órganos y músculos del cuerpo. Este patrón de bombeo se conoce como doble circulación y se encuentra en todos los mamíferos. (Figura\(\PageIndex{2}\)).

CONEXIÓN ARTE

La ilustración muestra la circulación sanguínea por los circuitos sistémicos y pulmonares de los mamíferos. La sangre ingresa a la aurícula izquierda, la cámara superior izquierda del corazón, a través de las venas del circuito sistémico. La vena mayor que alimenta el corazón desde la parte superior del cuerpo es la vena cava superior, y la vena mayor que alimenta al corazón desde la parte inferior del cuerpo es la vena cava inferior. Desde la aurícula izquierda la sangre viaja hacia abajo al ventrículo izquierdo, luego hasta la arteria pulmonar. Desde la arteria pulmonar la sangre ingresa a los capilares del pulmón. Luego, la sangre es recolectada por la vena pulmonar, y vuelve a ingresar al corazón a través de la cámara superior izquierda del corazón, la aurícula izquierda. La sangre baja al ventrículo izquierdo, luego vuelve a entrar en el circuito sistémico a través de la aorta, que sale por la parte superior del corazón. La sangre ingresa a los tejidos del cuerpo a través de los capilares del circuito sistémico. — **Figura\(\PageIndex{2}\):** El corazón se divide en cuatro cámaras, dos aurículas y dos ventrículos. Cada cámara está separada por válvulas unidireccionales. El lado derecho del corazón recibe sangre desoxigenada del cuerpo y la bombea a los pulmones. El lado izquierdo del corazón bombea sangre al resto del cuerpo.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema circulatorio es falsa?

La sangre en la vena pulmonar está desoxigenada.
La sangre en la vena cava inferior está desoxigenada.
La sangre en la arteria pulmonar está desoxigenada.
La sangre en la aorta está oxigenada.

El Ciclo Cardíaco

El propósito principal del corazón es bombear sangre a través del cuerpo; lo hace en una secuencia repetitiva llamada ciclo cardíaco. El ciclo cardíaco es el flujo de sangre a través del corazón coordinado por señales electroquímicas que hacen que el músculo cardíaco se contraiga y se relaje. En cada ciclo cardíaco, una secuencia de contracciones expulsa la sangre, bombeándola a través del cuerpo; a esto le sigue una fase de relajación, donde el corazón se llena de sangre. Estas dos fases se denominan sístole (contracción) y diástole (relajación), respectivamente (Figura\(\PageIndex{3}\)). La señal de contracción comienza en una ubicación en el exterior de la aurícula derecha. La señal electroquímica se mueve desde allí a través de las aurículas provocando que se contraigan. La contracción de las aurículas obliga a la sangre a través de las válvulas hacia los ventrículos. El cierre de estas válvulas causado por la contracción de los ventrículos produce un sonido “lub”. La señal ha pasado, para entonces, por las paredes del corazón, a través de un punto entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho. La señal entonces hace que los ventrículos se contraigan. Los ventrículos se contraen juntos forzando la sangre a la aorta y las arterias pulmonares. El cierre de las válvulas a estas arterias causado por la extracción de sangre hacia el corazón durante la relajación ventricular produce un sonido monosilábico “dub”.

La ilustración A muestra la diástole cardíaca. El músculo cardíaco está relajado, y la sangre fluye hacia las aurículas del corazón y hacia los ventrículos. La ilustración B muestra la sístole auricular; las aurículas se contraen, empujando la sangre hacia los ventrículos, los cuales están relajados. La ilustración C muestra la diástole auricular; después de que las aurículas se relajan, los ventrículos se contraen, empujando la sangre fuera del corazón. El nódulo sinoauricular se localiza en la parte superior de la aurícula derecha, y el nódulo auriculoventricular se localiza entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho. El latido del corazón comienza con un impulso eléctrico en el nódulo sinoauricular, que se extiende por las paredes de las aurículas, dando como resultado una protuberancia en la lectura del ECG. La señal luego se fusiona en el nódulo auriculoventricular, provocando que la lectura del ECG se alinee brevemente. A continuación, la señal pasa del nódulo auriculoventricular a las fibras de Purkinje, que viajan desde el nódulo atriovenricular y bajando por la mitad del corazón, entre los dos ventrículos, luego hacia arriba por los lados de los ventrículos. A medida que la señal pasa por las fibras de Purkinje disminuye la lectura del ECG. La señal luego se propaga por las paredes del ventrículo y los ventrículos se contraen, lo que resulta en un pico agudo en el ECG. A la espiga le sigue una línea plana, más larga que la primera, luego una protuberancia. — **Figura\(\PageIndex{3}\):** En cada ciclo cardiaco, una serie de contracciones (sístoles) y relajaciones (diástole) bombea sangre a través del corazón y a través del cuerpo. (a) Durante la diástole cardíaca, la sangre fluye hacia el corazón mientras todas las cámaras están relajadas. (b) Luego los ventrículos permanecen relajados mientras la sístole auricular empuja la sangre hacia los ventrículos. (c) Una vez que las aurículas se relajan de nuevo, la sístole ventricular empuja la sangre fuera del corazón.

El bombeo del corazón es una función de las células del músculo cardíaco, o cardiomiocitos, que componen el músculo cardíaco. Los cardiomiocitos son células musculares distintivas que están estriadas como el músculo esquelético pero bombean rítmica e involuntariamente como el músculo liso; las células adyacentes están conectadas por discos intercalados que se encuentran solo en el músculo cardíaco. Estas conexiones permiten que la señal eléctrica viaje directamente a las células musculares vecinas.

Los impulsos eléctricos en el corazón producen corrientes eléctricas que fluyen a través del cuerpo y se pueden medir en la piel mediante electrodos. Esta información se puede observar como un electrocardiograma (ECG) un registro de los impulsos eléctricos del músculo cardíaco.

CONCEPT EN ACCIÓN

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Visite el siguiente sitio web para ver el marcapasos del corazón, o sistema de electrocardiograma, en acción.

Vasos Sanguíneos

La sangre del corazón es transportada a través del cuerpo por una compleja red de vasos sanguíneos (Figura\(\PageIndex{4}\)). Las arterias quitan la sangre del corazón. La arteria principal de la circulación sistémica es la aorta; se ramifica en arterias principales que llevan sangre a diferentes extremidades y órganos. La aorta y las arterias cercanas al corazón tienen paredes pesadas pero elásticas que responden y suavizan las diferencias de presión causadas por el corazón latiente. Las arterias más alejadas del corazón tienen más tejido muscular en sus paredes que pueden contraerse para afectar los caudales de la sangre. Las arterias principales divergen en arterias menores, y luego vasos más pequeños llamados arteriolas, para llegar más profundamente a los músculos y órganos del cuerpo.

Las arteriolas divergen en lechos capilares. Los lechos capilares contienen un gran número, de 10 a 100 de capilares que se ramifican entre las células del cuerpo. Los capilares son tubos de diámetro estrecho que pueden adaptarse a glóbulos rojos individuales y son los sitios para el intercambio de nutrientes, desechos y oxígeno con tejidos a nivel celular. El líquido también se filtra de la sangre al espacio intersticial desde los capilares. Los capilares convergen nuevamente en vénulas que se conectan a venas menores que finalmente se conectan a venas mayores. Las venas son vasos sanguíneos que traen sangre alta en dióxido de carbono de regreso al corazón. Las venas no tienen paredes tan gruesas como las arterias, ya que la presión es menor, y tienen válvulas a lo largo de su longitud que evitan el reflujo de la sangre lejos del corazón. Las venas principales drenan la sangre de los mismos órganos y extremidades que suministran las arterias principales.

La ilustración muestra los principales vasos sanguíneos humanos. Desde el corazón, la sangre se bombea a la aorta y se distribuye a las arterias sistémicas. Las arterias carótidas llevan sangre a la cabeza. Las arterias braquiales llevan sangre a los brazos. La aorta torácica lleva sangre por el tronco del cuerpo a lo largo de la columna vertebral. Las arterias hepática, gástrica y renal, que se ramifican desde la aorta torácica, llevan sangre al hígado, estómago y riñones, respectivamente. La arteria ilíaca lleva sangre a las piernas. La sangre se devuelve al corazón a través de dos venas principales, la vena cava superior en la parte superior y la vena cava inferior en la parte inferior. Las venas yugulares devuelven sangre de la cabeza. Las venas basílicas devuelven sangre de los brazos. Las venas hepática, gástrica y renal devuelven sangre del hígado, estómago y riñones, respectivamente. La vena ilíaca devuelve sangre de las piernas. — **Figura\(\PageIndex{4}\):** Las arterias del cuerpo, indicadas en rojo, comienzan en el arco aórtico y se ramifican para abastecer a los órganos y músculos del cuerpo con sangre oxigenada. Las venas del cuerpo, indicadas en azul, devuelven la sangre al corazón. Las arterias pulmonares son azules para reflejar el hecho de que están desoxigenadas, y las venas pulmonares son rojas para reflejar que están oxigenadas. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Resumen de la Sección

Los sistemas respiratorios animales están diseñados para facilitar el intercambio de gases. En los mamíferos, el aire es calentado y humidificado en la cavidad nasal. Luego, el aire viaja por la faringe y la laringe, a través de la tráquea y hacia los pulmones. En los pulmones, el aire pasa a través de los bronquios ramificados, llegando a los bronquiolos respiratorios. Los bronquiolos respiratorios se abren hacia los conductos alveolares, sacos alveolares y alvéolos. Debido a que hay tantos alvéolos y sacos alveolares en el pulmón, la superficie para el intercambio de gases es muy grande.

El sistema circulatorio de los mamíferos es un sistema cerrado con doble circulación que pasa por los pulmones y el cuerpo. Consiste en una red de vasos que contienen sangre que circula por las diferencias de presión generadas por el corazón.

El corazón contiene dos bombas que mueven la sangre a través de las circulaciones pulmonar y sistémica. Hay una aurícula y un ventrículo en el lado derecho y una aurícula y un ventrículo en el lado izquierdo. El bombeo del corazón es una función de los cardiomiocitos, células musculares distintivas que están estriadas como el músculo esquelético pero bombean rítmica e involuntariamente como el músculo liso. La señal de contracción comienza en la pared de la aurícula derecha. La señal electroquímica hace que las dos aurículas se contraigan al unísono; luego la señal hace que los ventrículos se contraigan. La sangre del corazón es transportada a través del cuerpo por una compleja red de vasos sanguíneos; las arterias quitan la sangre del corazón y las venas llevan la sangre de regreso al corazón.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{1}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio humano es falsa?

A. Cuando respiramos, el aire viaja de la faringe a la tráquea.
B. Los bronquiolos se ramifican en bronquios.
C. Conductos alveolares se conectan a sacos alveolares.
D. El intercambio de gases entre los pulmones y la sangre tiene lugar en el alvéolo.

Contestar: B

Figura\(\PageIndex{2}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema circulatorio es falsa?

A. La sangre en la vena pulmonar está desoxigenada.
B. La sangre en la vena cava inferior está desoxigenada.
C. La sangre en la arteria pulmonar está desoxigenada.
D. La sangre en la aorta está oxigenada.

Contestar: A

Glosario

alvéolo: (plural: alvéolos) (también, sacos de aire) la estructura terminal del pasaje pulmonar donde se produce el intercambio de gases

aorta: la arteria principal que lleva la sangre del corazón al sistema circulatorio sistémico

arteria: un vaso sanguíneo que quita la sangre del corazón

atrio: (plural: aurículas) una cámara del corazón que recibe sangre de las venas

válvula bicúspide: una abertura unidireccional entre la aurícula y el ventrículo en el lado izquierdo del corazón

bronquios: (singular: bronquio) ramas más pequeñas de tejido cartilaginoso que se desprenden de la tráquea; el aire se canaliza a través de los bronquios hacia la región donde se produce el intercambio de gases en los alvéolos

bronquiolo: una vía aérea que se extiende desde el bronquio principal hasta el saco alveolar

capilar: el vaso sanguíneo más pequeño que permite el paso de las células sanguíneas individuales y el sitio de difusión del oxígeno y el intercambio de nutrientes

ciclo cardiaco: el llenado y vaciado del corazón de la sangre causado por señales eléctricas que hacen que los músculos del corazón se contraigan y se relajen

sistema circulatorio cerrado: un sistema que tiene la sangre separada del líquido intersticial corporal y contenida en los vasos sanguíneos

diafragma: un músculo esquelético ubicado debajo de los pulmones que encierra los pulmones en el tórax

diástole: la fase de relajación del ciclo cardíaco cuando el corazón está relajado y los ventrículos se llenan de sangre

electrocardiograma (ECG): un registro de los impulsos eléctricos del músculo cardíaco

vena cava inferior: la vena principal del cuerpo que devuelve la sangre de las partes inferiores del cuerpo a la aurícula derecha

laringe: la caja de voz, ubicada dentro de la garganta

cavidad nasal: una apertura del sistema respiratorio al ambiente exterior

sistema circulatorio abierto: un sistema circulatorio que tiene la sangre mezclada con líquido intersticial en la cavidad corporal y baña directamente los órganos

faringe: la garganta

bronquio primario: (también, bronquio principal) una región de la vía aérea dentro del pulmón que se une a la tráquea y se bifurca para formar los bronquiolos

circulación pulmonar: el flujo de sangre lejos del corazón a través de los pulmones donde ocurre la oxigenación y luego de regreso al corazón

vena cava superior: la vena mayor del cuerpo que devuelve la sangre de la parte superior del cuerpo a la aurícula derecha

circulación sistémica: el flujo de sangre desde el corazón hacia el cerebro, el hígado, los riñones, el estómago y otros órganos, las extremidades y los músculos del cuerpo, y luego de regreso al corazón

sístole: la fase de contracción del ciclo cardíaco cuando los ventrículos bombean sangre hacia las arterias

tráquea: el tubo cartilaginoso que transporta el aire de la garganta a los pulmones

válvula tricúspide: una abertura unidireccional entre la aurícula y el ventrículo en el lado derecho del corazón

vena: un vaso sanguíneo que devuelve la sangre al corazón

ventrículo: (del corazón) una gran cámara del corazón que bombea sangre a las arterias

Colaboradores y Atribuciones

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