L’apparato respiratorio
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Capitolo C3
Sadava et al. La nuova biologia.blu © Zanichelli 2016
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1- I principali tessuti dell’apparato respiratorio
Principali Tessuti | Localizzazione/ funzione |
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Epiteliale
Permette la diffusione dei gas attraverso le pareti di alveoli e capillari; secerne muco lungo le vie respiratorie
Connettivo
Il sangue scambia gas con i polmoni; la cartilagine forma parte del naso, trachea, bronchi e laringe.
Nervoso
Il sistema nervoso autonomo controlla la muscolatura liscia dei bronchi.
Muscolare
La muscolatura liscia dei polmoni regola il flusso d’aria diretto agli alveoli; il diaframma è un muscolo scheletrico che fa espandere i polmoni.
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Funzioni dell’apparato respiratorio
Funzione | Spiegazione |
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Scambio di gas
I polmoni scambiano O2 e CO2 con il sangue.
Olfatto
La respirazione muove l’aria sull’epitelio olfattivo del naso che avverte gli odori.
Produzione di suoni, incluso il linguaggio
Il movimento dell’aria attraverso le corde vocali situate nella laringe produce i suoni.
Mantenimento dell’omeostasi del pH del sangue
I cambiamenti nella frequenza respiratoria regolano la concentrazione di CO2 nel sangue e questo influenza il pH del sangue.
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Le tre fasi della respirazione
Le plasmacellule producono le immunoglobuline (anticorpi) in risposta agli antigeni (batteri, virus e altre sostanze riconosciute dall’organismo).
Immunoglobuline A (IgA) - le IgA costituiscono circa il 15 % delle immunoglobuline totali nel sangue ma sono presenti anche nella saliva, nelle lacrime, nelle secrezioni gastriche e respiratorie e nel latte materno.
Le IgA forniscono pertanto una protezione contro le infezioni delle mucose (tratto respiratorio, alte e basse vie e tratto gastrointestinale, stomaco e intestino).
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Le tre fasi della respirazione
1) Ventilazione polmonare. Durante la respirazione l’O2 diffonde attraverso le cellule che rivestono i polmoni ed entra nei vasi sanguigni, allo stesso tempo, il CO2 dal sangue ai polmoni.
2) Scambio polmonare. L’O2 e il CO2 vengono trasportati dal sangue, attraverso il sistema circolatorio; il sangue ricco di O2 va dai polmoni ai capillari dei vari tessuti (in rosso), il CO2 è trasportato dai tessuti dai tessuti ai polmoni (in blu).
3) Scambio sistemico. Le cellule dei vari tessuti corporei scambiano l’O2, che prelevano dal sangue, con il CO2 prodotto dalla respirazione cellulare dei mitocondri.
Nella respirazione cellulare, la cellula consuma O2; H2O e CO2 sono prodotti di rifiuto, e l’ATP è la molecola in cui viene immagazzinata l’energia ricavata dal processo metabolico.
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L’apparato respiratorio
Nei mammiferi l’inspirazione e l’espirazione avvengono nei polmoni e il loro alternassi prende il nome di ventilazione polmonare.
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L’apparato respiratorio
L’apparato respiratorio fornisce ossigeno, elimina diossido di carbonio e comprende:
Le membrane pleuriche rivestono le cavità toraciche e ricoprono anche i polmoni.
I polmoni sono allogliati nella cavità toracica, che è delimitata dalle coste e dal diaframma.
Vie respiratorie
Naso e bocca
Faringe
Inferiori
Laringe
Trachea
Bronchi e polmoni
Superiori
Trachea
Bronchi lombari
Bronchioli
Muscoli intercostali
Diaframma
Laringe
Faringe
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La trachea si ramifica in due bronchi, ognuno dei quali porta a un polmone.
Alveoli
Bronchiolo
Una struttura ramificata
Le ramificazioni più fini dei bronchioli terminano in grappoli di alveoli che danno forma e consistenza ai polmoni.
Trachea
Bronchi lombari
Bronchioli
Muscoli intercostali
I bronchi si ramificano ciascuno in cinque bronchi lobari e poi fino a formare i bronchioli.
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Lo scambio dei gas
L’ossigenazione del sangue�e il rilascio di CO2 avvengono per diffusione nei capillari�degli alveoli polmonari.
Strato di umidità
I polmoni sono organi elastici divisi in lobi e rivestiti esternamente da una doppia membrana detta pleura:
I polmoni
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Aderente al polmone c’è la pleura viscerale, mentre all’interno del torace c’è la pleura parietale.
La Pleura
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La pleura è una doppia membrana sierosa che ricopre ciascun polmone.
Tra i due strati della membrana, detti foglietti, scorre un liquido che impedisce gli attriti e facilità lo scorrimento.
I polmoni producono due tipi di secrezioni che influenzano la ventilazione:
Le secrezioni del tratto respiratorio
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La superfice respiratoria degli alveoli deve essere mantenuta costantemente umida.
Gli alveoli sono cosi piccoli che la tensione superficiale dovuta all’umidificazione dell’epitelio tende a farli collassare, i surfactanti impediscono che questo accada abbassando la tensione superficiale.
Le secrezioni del tratto respiratorio
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La struttura degli alveoli e la superficie di scambio con l’endotelio capillare
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I surfactanti abbassando la tensione superficiale dovuta all’umidificazione degli epiteli alveolari impedendo che essi collassino.
surfattante
endotelio
Membrane basali
fuse
L'endotelio è il tessuto che riveste la superficie interna dei vasi sanguigni.
Capillare
Cellula alveolare deputata agli scambi gassosi
Cellula dell’endotelio capillare
Cellula alveolare che sintetizza surfattante
Superficie di scambio con l’endotelio capillare.
La struttura degli alveoli.
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2-La meccanica della respirazione
La ventilazione polmonare è causata dall’azione dei muscoli respiratori: il diaframma e i muscoli intercostali,
e comprende due fasi (inspirazione ed espirazione).
Inspirazione ed espirazione
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Durante l’ispirazione i muscoli intercostali e il diaframma si contraggono e il volume della cassa toracica aumenta.
Durante l’espirazione i muscoli si rilassano e ritornano nella posizione originaria causando la fuoriuscita di aria dagli alveoli.
Volume corrente
I volumi polmonari
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Volume di riserva espiratoria
Volume residuo
Volume di riserva inspiratoria
Il volume corrente (VC) è la quantità di aria mossa in un atto respiratorio (300-500 mL).
CV
La spirometria è il test che permette di misurare i volumi di aria inspirati ed espirati.
Il volume di riserva espiratoria è la quantità di aria espulsa con una espirazione forzata (1,5 L).
Il volume di riserva inspiratoria (VRI) è la quantità di aria che entra nei polmoni con una inspirazione forzata (2,0-2,5 L).
Il volume residuo è la quantità di aria che rimane nei polmoni dopo una massima espirazione (1 L).
La capacità vitale (CV) è il volume massimo di aria che possiamo inspirare ed espirare durante una respirazione forzata (donne 3,2 – uomini 4,8 L).
I volumi polmonari – capacità respiratorie
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CV
Volume di riserva inspiratoria
Volume di riserva espiratoria
Volume corrente
Volume residuo
Capacità vitale (CV)=
volume corrente + volume di riserva inspiratoria + volume di riserva espiratoria
Capacità polmonare (CP) =
Capacità vitale + volume residuo
Capacità funzionale residua (CFR)=
Volume di riserva espiratoria + volume residuo
CP
CFR
è il massimo volume d’aria che può essere contenuta nei polmoni (4,2 – 6,0 L).
è il volume d’aria che rimane nei polmoni al termine di un’espirazione a riposo (2,3 L nei maschi e 1,8 L nelle femmine).
Nelle donne la capacita vitale è in media di 3,4 L e negli uomini di 4,5 L. Nelle donne, infatti, la cassa toracica e i polmoni sono più piccoli.
La capacità vitale aumenta negli sportivi.
Il volume residuo aumenta nei fumatori.
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I volumi polmonari – capacità respiratorie
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Il controllo della ventilazione
La ventilazione dipende dal sistema nervoso centrale che regola la contrazione dei muscoli intercostali e del diaframma.
La ventilazione è un atto involontario che può essere forzato volontariamente.
Il respiro viene generato dal midollo allungato.
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I centri di controllo della respirazione
I recettori chimici posti nel midollo allungato e nelle arterie controllano i livelli di CO2 nel sangue.
I segnali nervosi stimolano la contrazione del diaframma e dei muscoli intercostali.
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I centri di controllo rispondono alle variazioni di pH del sangue e del liquido cerebrospinale.
I recettori segnalano i livelli di CO2 e O2 nel sangue.
Recettori per CO2 e O2 nell’aorta e nelle arterie carotidee.
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Il respiro viene generato dal midollo allungato.
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I centri di controllo della respirazione
I centri di controllo della respirazione sono localizzarti nel midollo allungato, una regine del sistema nervoso centrale posta tra la base dell’encefalo e il midollo spinale.
I centri di controllo rilevano il pH ematico, una diminuzione di pH indica un aumento di CO2.
Il CO2 reagisce con l’acqua formando H2CO3, che abbassa il pH del sangue.
I recettori chimici posti nel midollo allungato e nelle arterie controllano i livelli di CO2 nel sangue.
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I centri di controllo della respirazione
Un controllo secondario sulla respirazione è esercitato dai recettori presenti nell’aorta e nell’arteria carotidea che rilevano i livelli di O2 CO2 nel sangue. Quando il livello di O2 nel sangue si riduce eccessivamente (per esempio, ad altitudine elevate), i recettori segnalano, attraverso i nervi, ai centri di controllo di incrementare la frequenza e la profondità respiratoria.
3- Lo scambio dei gas respiratori
La pressione totale dell’aria che ci circonda è uguale alla somma delle pressioni parziali di tutti i gas che la compongono.
Patm = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2 + Paltri gas
760 mmHg = 597,4 mmHg + 158,8 mmHg + 3,0 mmHg + 0,3 mmHg + 0,5 mmHg
Ogni gas tende a diffondere spontaneamente dalle zone che presentano una pressione parziale più alta a quelle a pressione parziale inferiori. Questo semplice meccanismo sta alla base del processo che regola la diffusione dei gas respiratori dagli alveoli e dai tessuti al sistema circolatorio e viceversa.
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Lo scambio dei gas respiratori
La PCO2 nell’aria che respiriamo è molto bassa, mentre la PO2 è elevata.
A un’altitudine di 6000 m la pressione si riduce della metà (PO2=80 mmHg) (monte Everest 8.850 m PO2=50 mmHg). Poiché il passaggio di ossigeno attraverso le superfici respiratorie avviene per diffusione, la velocità del suo movimento dipende dalla differenza della pressione parziale dell’O2 tra l’aria e i fluidi corporei. Ad altitudini elevate il sangue riceve meno O2 e comporta i sintomi del cosiddetto mal di montagna: fiato corto, nausea e vomito.
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Lo scambio dei gas respiratori
Uno dei fattori più importante che influisce sullo scambio di O2 e CO2 è la superficie totale dell’aria disponibile per lo scambio gassoso; pertanto, qualsiasi malattia polmonare che riduca la superficie respiratoria diminuisce la velocità degli scambi.
L’efficacia degli scambi gassosi aumenta al diminuire dello spessore dello strato di epitelio.
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Lo scambio dei gas respiratori
Lo scambio di gas avviene per diffusione.
In base alle differenze di pressione parziale di CO2 e O2 avvengono due scambi:
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Il trasporto dei gas
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Trasporto dei gas
Disciolto nel plasma
Legato all’emoglobina
Diossido di carbonio
Ossigeno
Disciolto nel plasma (7%)
Legato all’emoglobina (5%)
Bicarbonato nel sangue
Il trasporto di ossigeno
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L’ossigeno è poco solubile in acqua, per cui la maggior parte dell’O2 nel sangue è legata ad una proteina contenuta nei globuli rossi: l’emoglobina.
Questa proteina è costituita da quattro subunità che circondano quattro gruppi eme, strutture ad anello contenenti ferro che possono legare l’ossigeno.
Il trasporto di ossigeno
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Quando una molecola di O2 si lega al gruppo eme di una delle quattro subunità dell’emoglobina, le altre cambiano conformazioni aumentando la loro affinità per l’O2.
Allo stesso modo, quando l’emoglobina satura cede una molecola di O2 da una delle subunità, le altre vanno incontro a un lieve cambiamento strutturale che riduce la loro affinità per l’O2.
Il trasporto di ossigeno
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Un altro importante fattore è l’acidità; un muscolo sotto sforzo accumula acido lattico e l’emoglobina per contrastare l’acidità crescente, promuove il rilascio di O2. Infine, anche la temperatura agisce sull’affinità dell’emoglobina; un tessuto molto attivo ha una temperatura maggiore e l’emoglobina rilascia più ossigeno.
Aria espirata e inspirata
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21% O2 - PO2= 160 mmHg
0,03% CO2 - PCO2=0,2 mmHg
L’aria espirata e inspirata
Aria inspirata
Aria espirata
16% O2 - PO2= 120 mmHg
4% CO2 - PCO2=27 mmHg
Lo scambio dei gas respiratori
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Lo scambio dei gas respiratori
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Affinità tra O2 ed emoglobina
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L’affinità dell’emoglobina per l’O2 non è sempre la uguale, ma è più alta in presenza di un’alta PO2.
La capacità dell’emoglobina di rilasciare O2 nei tessuti dipende dalla pressione parziale di O2 nel sangue, da quella di CO2 nei tessuti, dall’acidità e dalla temperatura.
La PO2 nell’aria è 159 mmHg, mentre la PO2 del sangue che lascia i polmoni è 100 mmHg.
La PO2 media del sangue povero di ossigeno che torna verso il cuore è 40 mmHg.
Il 25% dell’ O2 presente nel sangue arterioso viene rilasciato ai tessuti in condizioni di riposo, o durante un leggero esercizio fisico.
Il 75% dell’ O2 rimanente legato all’emoglobina come riserva e può essere rilasciato ai tessuti che presentano una bassa PO2.
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La mioglobina, una riserva d’ossigeno
Nelle cellule muscolari è presente una molecola speciale che lega l’ossigeno: la mioglobina. Si tratta di una proteina globulare costituita da una sola catena polipeptidica che lega un gruppo eme.
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La mioglobina, una riserva d’ossigeno
La mioglobina ha un’affinità per l’ossigeno 6 volte maggiore dell’emoglobina e funziona da riserva nei muscoli. Quando la PO2 dei muscoli è bassa, per esempio durante una contrazione muscolare, l’emoglobina non riesce a rilasciare una quantità sufficiente di O2 e la mioglobina sopperisce a questo deficit di ossigeno.
Il CO2 è trasportato come ione HCO3−
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L’emoglobina contribuisce anche a trasportare il CO2 e regola il pH del sangue. Il 7 % di CO2 si trova disciolto nel plasma, il 5 % si lega all’emoglobina nei globuli rossi, ma la maggior parte del diossido di carbonio è trasportato ai polmoni sotto forma di ioni bicarbonato. Il CO2 reagisce con l’H2O (grazie all’enzima anidrasi carbonica) e si trasforma a ione bicarbonato secondo la seguente reazione reversibile:
Anidrasi carbonica
Il CO2 è trasportato come ione HCO3−
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Nel sangue la maggior parte di CO2 viaggia sotto forma di ione bicarbonato. L’emoglobina lega la maggior parte degli ioni H+, impedendo cosi eccessive variazioni di pH del sangue.
Nei polmoni prevale la reazione opposta, ovvero la conversione di HCO3− in CO2, eliminato poi con l’espirazione.
Anidrasi carbonica
Ione bicarbonato
Il CO2 è trasportato come ione HCO3−
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Hb = anidrasi carbonica velocizza la conversione di CO2 in H2CO3.
Endotelio è un epitelio monostratificato.
3) Il 5% del CO2 si lega all’emoglobina.
1) Nei tessuti del corpo, il CO2 diffonde dalle cellule al plasma e nei globuli rossi (GR).
2) Il 7% del CO2 è trasportato nel plasma.
4) Nei globuli rossi il CO2 è convertito in ione bicarbonato grazie alla presenza dell’anidrasi carbonica.
5) Gli ioni bicarbonato entrano nel plasma in cambio di ionio cloruro.
6) Nei polmoni questi processi avvengono nella direzione opposta. Il bicarbonato forma acido carbonico che si dissocia rilasciando CO2.
7) CO2 diffonde all’esterno dei globuli rossi, nel plasma sanguino e nell’aria degli alveoli e viene quindi espirato.
Tessuto
Capillare sanguigno
Capillare sanguigno
Polmone
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Le strutture coinvolte negli scambi respiratori nel feto umano
Il feto umano è immerso nel liquido amniotico; i suoi polmoni ancora immaturi e non funzionanti sono pieni di liquido.
Come fa, quindi, a scambiare gas con l’esterno?
Il feto umano scambia gas respiratori con il sangue materno attraverso la placenta. Il traporto di O2 è assicurato al feto dall’emoglobina fetale che ha una affinità l’ O2 per maggiore di quella dell’adulto. Alla nascita, l’incremento di CO2 nel sangue fetale stimola i centri di controllo del respiro a compiere il primo respiro.
Il passaggio istantaneo dalla vita intrauterina nell’acqua al mondo esterno comporta un adattamento drastico per il sistema respiratorio e quello circolatorio, che lavorano in maniera coordinata.
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Patologie dell’apparato respiratorio
Le patologie dell’apparato respiratorio si possono distinguere in base all’organo colpito:
La maggior parte di queste è di origine batterica o virale.
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Enfisema. Le delicate pareti degli alveoli subiscono un danno permanente e i polmoni perdono l’elasticità necessaria ad espellere l’aria durante l’espirazione.
La bronchite cronica è una infiammazione della mucosa bronchiale che provoca una da sovrapproduzione di muco e ostruzione delle vie respiratorie.
Patologie dell’apparato respiratorio
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Embolia gassosa causa da bolle di gas (per esempi l’azoto).
Lo pneumotorace (PNX) è una patologia che consiste nell’accumulo di aria nello spazio tra le due membrane pleuriche. La causa può essere spontanea o dovuta a un trauma fisico. Lo pneumotorace non permette l’espansione dei polmoni che si afflosciano in maniera direttamente proporzionale alla quantità di gas che è presente nella cavità pleurica.
Patologie dell’apparato respiratorio
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Altre patologie, non di origine batterica o virale, possono essere: la sindrome da distress respiratorio e la fibrosi cistica.
Le principale patologie dell’apparato respiratorio
La sindrome da distress respiratorio è dovuta all’incapacità di un neonato prematuro di produrre il surfactante necessario ai suoi polmoni.
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La fibrosi cistica è una patologia ereditaria progressiva legata ad un allele recessivo (CFTR), che comporta secrezioni molto dense e viscose di muco che non riuscendo a fluire ristagna e questo altera la funzione di alcuni organi. Uno di questi è il pancreas dove il muco ostruisce i dotti pancreatici e impedisce agli enzimi di raggiungere il tratto gastrointestinale. A livello dell’apparato respiratorio il muco è cosi denso che l’aria viene intrappolata nelle cavita bronchiali (o negli alveoli polmonari) che comporta la moltiplicazione degli agenti patogeni che possono creare focolai d’infezione.
Le principale patologie dell’apparato respiratorio
Fine
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