Sistema respiratorio

SISTEMA RESPIRATORIO

Respirazione, trasporto di ossigeno, saturazione dell'emoglobina

Respirazione

Per funzione respiratoria si intendono tutti quei meccanismi che consentono all'organismo di assumere O₂ dall'ambiente esterno, di trasportarlo nel liquido circolante e di utilizzarlo a livello delle cellule. Ma per respirazione si intende anche la produzione, il trasporto nel sangue e l'eliminazione di CO₂. La respirazione è un processo complesso che si svolge in 2 fasi.

La prima, nota come SCAMBIO DEI GAS, avviene in 2 tappe:

1) lo scambio di O₂ e CO₂ tra l'ambiente esterno e i polmoni, ovvero la Respirazione Esterna che implica 3 processi che sono la ventilazione, cioè lo spostamento di aria dentro e fuori dai polmoni; la diffusione dei gas, cioè il trasferimento dei gas dai polmoni al sangue dei capillari polmonari; il trasporto dei gas, ovvero il trasporto di O₂ e CO₂ nel sangue.

2) lo scambio di O₂ e CO₂ tra capillari periferici e tessuti, ovvero la Respirazione Interna.

La seconda fase della respirazione è nota come RESPIRAZIONE CELLULARE che si riferisce alle reazioni intracellulari dell'O₂ con varie molecole organiche per produrre CO₂, acqua ed energia in forma di ATP.

Sistema respiratorio

L'apparato respiratorio può essere suddiviso in due parti: il tratto respiratorio superiore, costituito da bocca, cavità nasale, faringe, laringe e trachea; il tratto respiratorio inferiore costituito da due bronchi con le loro ramificazioni e dai polmoni. I polmoni rappresentano l'organo umano deputato allo scambio dei gas e sono formati da 5 lobi, (due nel polmone sinistro e tre nel destro). Essi sono a forma di cono irregolare ed occupano quasi completamente la cavità toracica, con la base poggiata su una grande cupola muscolare, il diaframma, che separa la cavità toracica dall'addome. Ogni polmone si trova all'interno di un sacco pleurico, formato da due foglietti pleurici (le pleure), di cui uno riveste l'interno della cavità toracica, detto “parietale”, e l'altro la superficie esterna del polmone, detto “viscerale”. I foglietti sono tenuti insieme da un sottile strato di liquido pleurico il cui volume totale è di pochi millilitri. Il risultato è la costituzione di un sistema simile ad un palloncino pieno d'aria (i polmoni) circondato dalle pareti di un palloncino pieno di liquido (il sacco pleurico). Il liquido pleurico serve a creare una superficie umida e scivolosa in modo che i due foglietti pleurici possano scorrere l'uno sull'altro durante il movimento dei polmoni nella cavità toracica ed inoltre fa da tensioattivo, ovvero permette ai due foglietti di aderire uno sull'altro in modo da mantenere i polmoni a stretto contatto con la parete toracica quando questa si muove. Un simile meccanismo mantiene adesi i due foglietti pleurici tenendo i polmoni incollati alla cassa toracica.

I polmoni sono composti da due tipi di strutture ramificate, i VASI POLMONARI e le VIE AEREE. I vasi polmonari sono costituiti da arterie e vene connesse da capillari. Le vie aeree sono rappresentate da una serie di tubi cavi ramificati, che diminuiscono di diametro ad ogni ramificazione (trachea, bronchi primari, bronchioli e bronchioli terminali) ma aumentano di numero. Ciò fa sì che l'area di superficie trasversa aumenti ad ogni divisione delle vie aeree. L'aria entra nel tratto respiratorio superiore dalla bocca e dal naso e passa nella faringe, via di passaggio comune per cibi, liquidi e aria. Dalla faringe l'aria fluisce attraverso la laringe (che contiene le corde vocali) per raggiungere il condotto aereo principale, la trachea.

La trachea si divide in due bronchi primari, ciascuno dei quali entra in un polmone. All'interno di ciascun polmone, i bronchi si ramificano più volte in bronchi di calibro sempre più piccolo che, a loro volta, si dividono formando i bronchioli che continuano a ramificarsi fino a formare i bronchioli terminali.

La zona che va dal naso ai bronchioli terminali è detta ZONA DI CONDUZIONE in cui non avviene nessuno scambio di gas (dalla trachea si dipartono le prime 16 ramificazioni dell'albero tracheobronchiale). Dai bronchioli terminali si formano i bronchioli respiratori caratterizzati dalla presenza di alveoli i quali costituiscono la superficie di scambio dei gas. Gli alveoli si raggruppano formando i sacchi alveolari, ciascuno connesso ad un bronchiolo respiratorio tramite un dotto alveolare.

La zona che va dai bronchioli respiratori ai sacchi alveolari è detta ZONA RESPIRATORIA (formata dalle ultime sette ramificazioni dell'albero tracheobronchiale). Ogni alveolo è costituito da un singolo strato di sottile epitelio di scambio. Sono presenti due tipi di cellule epiteliali, quasi in numero uguale:

· Le cellule alveolari (o pneumociti) di tipo 1 sono molto sottili in modo da permettere ai gas di diffondere rapidamente attraverso di esse fino ai capillari sottostanti;

· Le cellule alveolari di tipo 2 sono più spesse e sintetizzano e secernono una sostanza chimica detta surfactante che si mescola con il sottile liquido di rivestimento alveolare per facilitare l'espansione polmonare durante la ventilazione. Tra le cellule epiteliali alveolari sono presenti fibre elastiche che conferiscono al polmone una certa elasticità nella distensione. Una rete di capillari circonda ogni alveolo e porta il sangue in prossimità dell'aria contenuta negli alveoli. L'O₂ diffonde nel sangue attraverso gli alveoli polmonari e la CO₂ diffonde dal sangue negli alveoli (la parete degli alveoli e dei capillari è estremamente sottile, così che la distanza che l'O₂ deve percorrere per diffusione non supera i 2 μm). In gran parte dell'area di scambio uno strato di lamina basale congiunge l'epitelio alveolare all'epitelio capillare formando la membrana respiratoria (barriera aria-sangue) (slide10). Gli scambi avvengono per meccanismo passivo: la pressione parziale di O₂ sarà maggiore negli alveoli rispetto ai capillari per cui l'O₂ passa dall'aria al sangue venoso arrivato ai polmoni (il quale caricandosi di O₂ diventerà arterioso), quindi lo scambio dei gas avviene sempre per gradiente pressorio.

Ventilazione

È il primo tipo di scambio che si realizza nell'attività fisiologica dell'apparato respiratorio e consiste nel movimento dell'aria tra l'ambiente esterno e gli alveoli. Le vie aeree superiori e i bronchi, cioè il sistema di conduzione, oltre a svolgere la funzione di condurre l'aria attraverso tutta la cavità toracica, svolge un importante ruolo nel condizionare l'aria inspirata prima che raggiunga gli alveoli che consiste nel:

RISCALDAMENTO dell'aria che entra (alla temperatura ambiente) alla temperatura corporea (37°C) in modo che non venga perso calore dall'organismo e che gli alveoli non vengano danneggiati dall'aria fredda;

UMIDIFICAZIONE dell'aria mediante l'aggiunta di vapore acqueo fino a che l'aria raggiunga il 100% di umidità (saturazione) in modo che l'epitelio di scambio, che è umido, non si disidrati. Infatti, la superficie respiratoria deve essere leggermente umida per permettere ai gas di sciogliersi; se così non fosse, non potrebbe avvenire alcuno scambio di gas;

DEPURAZIONE, mediante FILTRAZIONE, dell'aria inspirata da polvere, batteri, gas nocivi, in modo che non raggiungano gli alveoli; quindi fanno parte dei sistemi di difesa dell'organismo. Le strutture della zona di conduzione sono rivestite di ciglia, che si muovono in modo sincrono, immerse in uno strato di soluzione salina coperto da uno strato viscoso di muco che intrappola i materiali estranei. Il tappeto mucociliare galleggia sopra le ciglia mobili. Particelle più grandi vengono intrappolate dai peli e dal muco che rivestono le cavità nasali. Le particelle più piccole che sfuggono a questo controllo e raggiungono i polmoni, vengono intrappolate nel muco, poi l'epitelio ciliato spinge il muco verso la faringe attraverso un processo definito “risalita del muco”. Quando il muco raggiunge la faringe può essere inghiottito o espulso con la tosse. La secrezione dello strato acquoso sotto il muco è fondamentale per la risalita del muco, infatti senza questo strato acquoso le ciglia restano intrappolate nel muco viscoso e denso. Per es. nella fibrosi cistica l'inadeguata secrezione di liquido impedisce la risalita del muco e permette ai batteri di colonizzare le vie aeree con conseguenti infezioni polmonari ricorrenti. Inoltre, in tutta la zona di conduzione sono presenti macrofagi che fagocitano particelle patogene.

Il FLUSSO DELL'ARIA nel tratto respiratorio obbedisce alla stessa regola rispettata dal flusso di sangue nel sistema cardiovascolare: Flusso ∞ ΔP / R

questa equazione implica che il flusso aereo segue il gradiente pressorio (ΔP) e che il flusso decresce quando la resistenza (R) del sistema al flusso aumenta.

Diverse pressioni, funzionalmente importanti, sono associate alla respirazione e al flusso di aria.

La pressione intrapleurica è la pressione nel liquido pleurico ed è la pressione presente nello spazio compreso tra i polmoni e la parete toracica.

La pressione alveolare è la pressione che c'è all'interno degli alveoli.

La pressione transmurale è la differenza di pressione attraverso la parete delle vie aeree o dei polmoni (si ottiene sottraendo la pressione esterna alla pressione interna).

Due principali tipi di pressione transmurale sono implicati nella respirazione:

La pressione transpolmonare è la differenza di pressione attraverso la parete dei polmoni. È sempre positiva e permette l'espansione dei polmoni durante l'inspirazione e impedisce ai polmoni di collassare (per questo è detta anche distendente);

La pressione transmurale delle vie aeree è la differenza di pressione attraverso la parete delle vie aeree (è la differenza tra la pressione interna alle vie aeree e la pressione intrapleurica). Questa è molto importante per mantenere la pervietà delle vie aeree durante l'espirazione forzata.

Affinché vi sia un flusso d'aria, deve esistere un gradiente pressorio tra due punti. Questo gradiente si crea tra l'aria dell'atmosfera e l'aria contenuta nei polmoni. Poiché la pressione atmosferica è costante, la pressione all'interno dei polmoni deve essere superiore o inferiore a quella atmosferica per permettere il flusso d'aria tra ambiente esterno e alveoli. Il gradiente pressorio è creato da una pompa ventilatoria (detta a suzione) rappresentata dal sistema toracico polmonare formato dai muscoli della cassa toracica e del diaframma. Quando questi muscoli si contraggono determinano il movimento delle coste e del diaframma e di conseguenza dei polmoni che aderiscono all'interno della gabbia toracica grazie al liquido pleurico.

La ventilazione è un processo attivo che utilizza la contrazione muscolare per generare gradienti pressori. I polmoni sono dotati di fibre elastiche frammiste a parenchima e occupano un volume maggiore di quello che occuperebbero se non fossero adesi alla gabbia toracica. Quindi esercitano costantemente una forza di retroazione elastica che tende a farle collassare, cioè queste strutture elastiche hanno la tendenza ad andare incontro ad un ritorno elastico nella direzione di una riduzione del volume. Di contro la gabbia toracica occupa un volume minore di quello che occuperebbe se non fosse adesa ai polmoni mediante il sacco pleurico. Ciò significa che le fibre elastiche del torace esercitano costantemente una forza verso l'esterno, cioè presentano un ritorno elastico nella direzione di un aumento di volume. Queste forze elastiche di pari entità ma in direzione opposta rendono la pressione intrapleurica negativa, cioè minore della pressione atmosferica; questa è detta PRESSIONE NEGATIVA INTRATORACICA.

Poiché la normale pressione intrapleurica è subatmosferica e l'aria si muove da zone a pressione maggiore verso zone a pressione minore, ogni volta che la cavità toracica viene in comunicazione con l'ambiente esterno o con l'aria contenuta nei polmoni, l'aria entra nella cavità preurica. In questa situazione, la pressione transpolmonare diventa uguale a zero, poiché la differenza di pressione attraverso la parete polmonare viene eliminata. Come conseguenza, i polmoni collassano; questa condizione è nota come “pneumotorace”.

La ventilazione è caratterizzata da due atti:

l'INSPIRAZIONE è l'ingresso di aria nei polmoni

l'ESPIRAZIONE è l'uscita di aria dai polmoni. Un singolo ciclo respiratorio è costituito da un'inspirazione e dalla successiva espirazione.

L'inspirazione è un processo attivo durante il quale il volume della cavità toracica aumenta in seguito alla contrazione dei muscoli inspiratori (muscoli scheletrici che si contraggono con l'arrivo di un p. d'azione) che avviene con consumo di energia. Si tratta in particolare dei muscoli intercostali esterni e gli scaleni della cavità toracica e dei muscoli del diaframma. Quando il diaframma si contrae perde la sua forma a cupola e si abbassa verso l'addome. Questo movimento aumenta il volume della cavità toracica appiattendone il pavimento. La contrazione dei muscoli intercostali esterni e degli scaleni fa muovere le coste verso l'alto e verso l'esterno. Il movimento delle coste durante l'inspirazione è stato paragonato al manico di una pompa tirato in alto e lontano dalla pompa stessa (le coste si muovono verso l'alto e si allontanano dalla colonna vertebrale) e al movimento di una coppia di manici di un secchio quando sono sollevati lontano dai lati del secchio (le coste si muovono esternamente in direzione laterale). La combinazione di questi due movimenti allarga la cassa toracica in tutte le direzioni. In accordo alla legge di Boyle un aumento del volume determina una riduzione di pressione; infatti, parallelamente all'aumento di volume della cavità toracica, la pressione intrapolmonare alveolare diminuisce riducendosi di circa un mmHg al di sotto della pressione atmosferica e, di conseguenza, l'aria fluisce nei polmoni verso gli alveoli. Mentre l'aria entra negli alveoli, la pressione aumenta gradualmente fino a quando la cassa toracica smette di espandersi, appena prima del termine dell'inspirazione. Al termine dell'inspirazione, il volume d'aria presente nei polmoni è al massimo valore raggiunto nel ciclo respiratorio e la pressione alveolare è uguale a quella respiratoria. Al termine dell'ispirazione, i motoneuroni somatici cessano di stimolare i muscoli respiratori, che si rilassano. Il ritorno elastico dei polmoni riporta il diaframma e le coste alla posizione di partenza.

Poiché l'espirazione durante la respirazione normale a riposo viene causata da un ritorno elastico passivo piuttosto che da una contrazione muscolare attiva, viene definita espirazione passiva, che non necessita di alcuna spesa energetica. Durante l'espirazione il volume della cavità toracica e del polmone diminuisce e la pressione intrapolmonare alveolare aumenta, fino ad un valore massimo di circa un mmHg sopra la pressione atmosferica. Quindi il flusso d'aria si inverte e l'aria esce dai polmoni. Al termine dell'espirazione, il movimento dell'aria si blocca quando la pressione alveolare è nuovamente uguale a quella atmosferica. Alla fine del ciclo respiratorio il volume dell'aria nei polmoni raggiunge il valore minimo e a questo punto inizia un ciclo successivo. Durante l'esercizio fisico o la respirazione forzata profonda le differenze di pressione diventano proporzionalmente più grandi. In questo caso si parla di espirazione attiva che si verifica durante l'espirazione volontaria o quando la ventilazione supera i 30-40 atti al minuto (la frequenza respiratoria normale a riposo è di 12-20 atti al minuto). Durante l'espirazione attiva si contraggono i muscoli espiratori che sono i muscoli intercostali interni (rivestono la superficie interna della cassa toracica) e i muscoli addominali. Quando muscoli intercostali interni si contraggono, tirano le coste all'interno riducendo il volume della cavità toracica e aumentando così la pressione interna. Questi muscoli hanno un andamento opposto rispetto ai muscoli intercostali esterni. Durante l'espirazione forzata l'attività dei muscoli intercostali interni è coadiuvata dai muscoli addominali che contraendosi esercitano una pressione sui visceri facendo risalire il diaframma, diminuendo di conseguenza passivamente il volume della cassa toracica.

Volumi polmonari

La quantità d'aria spostata durante la ventilazione può essere suddivisa in quattro volumi polmonari: volume corrente, volume di riserva inspiratoria, volume di riserva espiratoria e volume residuo.

Ø Il VOLUME CORRENTE è il volume d'aria che si sposta durante una singola inspirazione o espirazione. Questo volume di aria non va tutto ai polmoni ma una certa quantità va ad occupare quello spazio delle vie aeree dove non avviene scambio di gas, cioè le vie aeree di conduzione. Questo volume di aria sprecato per gli scambi viene chiamato VOLUME DELLO SPAZIO MORTO. Durante un normale ciclo respiratorio, viene normalmente espirato un volume corrente di 500 ml. Durante l'inspirazione successiva vengono assunti altri 500 ml di aria ma i primi 150 ml dell'aria che entra negli alveoli sono spazio morto (aria di tipo alveolare rimasta nelle vie di conduzione durante l'espirazione precedente). Pertanto, soltanto 350 ml di aria ambiente raggiungono gli alveoli mentre 150 ml rimangono ad occupare le vie di conduzione.

Ø VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA è il volume di aria che può essere introdotto con una ispirazione forzata.

Ø VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA è il volume di aria che può essere eliminato con un'espirazione forzata alla fine di un’espirazione normale.

Ø VOLUME RESIDUO è il volume di aria che rimane nell'apparato respiratorio dopo un'espirazione forzata (massimale). La maggior parte del volume residuo è dovuto al fatto che il polmone viene tenuto stirato contro la parete toracica ad opera del liquido pleurico.

Trasporto dell’anidride carbonica

La CO₂ è un prodotto di scarto potenzialmente tossico che deve essere rimosso dai polmoni; è uno dei prodotti della respirazione cellulare. La CO₂ è molto più solubile dell’O₂ nei liquidi corporei, tuttavia le cellule producono una quantità di CO₂ superiore a quella che può essere trasportata disciolta nel plasma.

La CO₂ può essere trasportata nel sangue attraverso 3 meccanismi:

Fisicamente disciolta nell’acqua plasmatica (7%);

Legata ai gruppi amminici dell’Hb, formando carboaminoemoglobina (23%);

Sotto forma di ione HCO₃^- (bicarbonato) che si forma nel globulo rosso (circa 70%).

La conversione della CO₂ a HCO₃^- ha lo scopo di rendere il HCO₃^- disponibile come tampone, aiutando a mantenere stabile il pH corporeo.