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Lezione di Fisiologia

La Fisiologia della Respirazione

Prof Andrea Mazzatenta, PhD

Prof Andrea Mazzatenta, PhD

La respirazione è scambio di gas

O2 = CO2

O2 > CO2

O2 < CO2

Prof Andrea Mazzatenta, PhD

La fosforilazione ossidativa

ATP

O2

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Il sangue come mezzo di trasporto e scambio

CO2

Scarto

Nutrienti

O2

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La domanda metabolica di ossigeno varia con l’attività fisica

I processi della respirazione

• Ventilazione

- inspirazione

- espirazione

• Respirazione esterna

- scambio di O2 e CO2 tra polmoni e sangue

- traporto di O2 e CO2 nel sangue

- scambio di gas tra sangue

e cellule

• Respirazione interna

- respirazione cellulare per

produrre ATP

o cellulare

= movimento d’aria

per diffusione

verso i tessuti

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Funzioni della respirazione

1. Contribuisce alla regolazione dell’equilibrio acido-base del sangue.

2. Permette la fonazione.

3. Ruolo immunologico e di difesa dell’organismo dai patogeni.

4. Termoregolazione regola l’umidità e la temperatura.

5. Aumenta il ritorno venoso attraverso la pompa respiratoria.

6. Attiva proteine plasmatiche quando passano alla circolazione polmonare.

7. Chemiocezione: sistema olfattivo, s. vomeronasale, s. Masera, s. trigeminale, s.

gangli nasali o di Grunwald, s. terminale, s. del corpo carotideo.

8. Funzione alimentare.

Le vie aeree

Cavità nasale o orale

Faringe

- via di passaggio comune per cibi, liquidi e aria

Laringe

- contiene le corde vocali

Trachea

- è un tubo semirigido fatto da 15-20 anelli di cartilagine

Bronchi primari

- si ramificano ripetutamente fino ai bronchioli

= rino- e orofaringe

Vie respiratorie

• Vie respiratorie superiori

- cavità nasale

- cavità orale

- faringe

• Zona di conduzione

-laringe

-trachea -

bronchi

- bronchioli

• Zona respiratoria

- alveoli

- sacchi alveolari

= rinofaringe

= orofaringe

Passaggio aria Spazio morto anatomico

150 mL

Scambio gas

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Vie aeree superiori

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Glottide ed epiglottide

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Ostruzioni e alterazioni del rinofaringe

Danno da cocaina

Polipo nasale

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Ostruzioni e alterazioni dell’orofaringe

disfagia ostruttiva vs. occlusione intestinale

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Apnea notturna

gas airbag

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Cellule caliciformi

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Trachea

Anelli cartilaginei a C sono fondamentali per impedire il collasso

durante l’inspirazione per la riduzione di pressione dell’aria

Cellule caliciformi

Ramificazioni delle vie aeree

Bronchi primari, secondari, terziari e più piccoli.

Per evitare il collasso i bronchi hanno anelli cartilaginei completi nei

bronchioli invece ci sono fibre eleatiche

Cellule ciliate (funzionale alla ‘scalata del muco’)

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Fumo

Paralizza le cilia delle cellule ciliate e impedisce la ‘scalata del muco’ si accumula muco ecc. provoca la ‘tosse del

fumatore’, meccanismo di difesa tentativo di sostituire le cilia, aumento attività macrofagi negli alveoli.

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La zona respiratoria

Gli alveoli

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Gli alveoli

Struttura degli alveoli

• Fibre elastiche

- permettono il ritorno elastico

dopo lo stiramento del polmone

• Cellule di tipo II

- secernono il surfactante

• Cellule di tipo I

- permettono la diffusione dei gas

• Macrofagi

- fagocitano il materiale estraneo

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Relazione tra respirazione esterna e interna

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Chronic Obstructive Pulmonary Disease

L'aria atmosferica

• A livello del mare la pressione atmosferica è di 760 mm Hg

Per evitare correzioni in base all'altitudine d'ora in avanti si definirà la

pressione atmosferica come 0 mm Hg, indicando le pressioni inferiori e

quelle superiori rispettivamente con numeri negativi e positivi

• Composizione dell'aria atmosferica:

- Azoto (N2) 78,08%

- Ossigeno (O2) 20,95%

- Argon (Ar) 0,93%

- Anidride carbonica (CO2) 0,03%

Composti Organici Volatili

(VOCs)

La legge di Dalton

La pressione barometrica totale (PB) è uguale alla

somma delle pressioni parziali dei singoli gas (Pgas):

PB = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2

Dove PN2, PO2, PH2O e PCO2 indicano, rispettivamente, le pressione parziale di azoto, ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica, e

vengono calcolati moltiplicando PB per la percentuale del gas

PN2 = 0.78 x 760 593 mm Hg

PO2 = 0.21 x 760 160 mm Hg

PCO2 = 0.03 x 760 23 mm Hg

+ PVOCs

La legge di Boyle

La pressione P di una data quantità di gas è inversamente

proporzionale al volume V del recipiente in cui è posto

P1V1 = P2V2

I sacchi pleurici

• Avvolgono i polmoni

• Sono formati da due strati

• Sono riempiti di liquido

(pochi millilitri)

Il liquido pleurico ha 2 funzioni:

- fa da lubrificante permettendo lo

scorrimento delle pleure durante

il movimento dei polmoni

- mantiene i polmoni a stretto

contatto con la parete toracica,

grazie alla sua coesività

Pleura parietale (coste) e viscerale (polmoni) tra le due spazio intrapleurico

(15mL di liquido intrapleurico)

• Ossa

- colonna vertebrale

- sterno

- costole

• Muscoli

-intercostali esterni

-intercostali interni

-addominali -

diaframma

- scaleni

- sternocleidomastoidei

La gabbia toracica

La ventilazione: l'inspirazione

La contrazione del diaframma aumenta il volume toracico

La contrazione dei muscoli inspiratori allarga la gabbia toracica

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La pressione intrapleurica

- 3 mm Hg

•

•

• La pressione intrapleurica (Ppl) è negativa

È dovuta a:

- tensione superficiale del

liquido pleurico

-elasticità dei polmoni -

elasticità della gabbia

toracica

Se, per la rottura della parete

polmonare o di quella

toracica cade a zero

(pneumotorace), il polmone

collassa

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Le pressioni polmonari sono 4:

1. Patm = atmosferica (circa costante);

2. Palv = intra-alveolare (pressione d’aria dentro gli alveoli varia tra inspirazione e espirazione);

3. Pip = intrapleurica a riposo = -4 mmHg è sempre negativa e sempre inferiore a quella intra-

alveolare;

4. P transpolmonare = Palv - Pip

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La ventilazione si ottiene grazie a gradienti di pressione tra alveoli e aria esterna che condizionano il

movimento d’aria:

inspirazione = Palv < Patm

espirazione = Palv > Patm

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Capacità Funzionale Residua = CFR (quando il sistema è a riposo)

Aria dentro i polmoni

verso gli alveoli

Aria fuori dai polmoni

•

La complianza e l'elastanza

• La complianza è la capacità dei polmoni di espandersi

- Nelle patologie polmonari restrittive la complianza

diminuisce e c'è bisogno di maggiore energia per

dilatare i polmoni rigidi

L'elastanza è la capacità del polmone di tornare al suo

volume a riposo dopo che viene stirato

- Nell'enfisema l'elastanza diminuisce e c'è bisogno di

uno sforzo cosciente per espirare

Complianza polmonare = ΔV / Δ(Palv-Pip)

ΔV = cambiamento polmonare

Δ(Palv-Pip) = variazione pressione transpolmonare

Lo spirometro

• Quando il soggetto inspira, l'aria si sposta dalla campana

verso i polmoni, quindi il volume della campana diminuisce

e la penna dello spirometro disegna un tracciato in salita

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ORTT-VOCs

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I gradienti di pressione parziale

Alveoli PCO2 = 40 mm Hg PO2 = 100 mm Hg

O2

PO2 = 40 mm Hg

CO2

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 40 mm Hg

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

PCO2 = 40 mm Hg

Circolazione

venosa

Circolazione

arteriosa

PO2 = 40 mm Hg

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

PCO2 = 40 mm Hg

Cellule

CO2

PCO2 = 40 mm Hg

2 PCO 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

2 PO 40 mm Hg

O2

• Lo scambio gassoso

La diffusione dei gas tra alveoli e sangue obbedisce alle

regole della diffusione semplice:

1) La velocità di diffusione attraverso le membrane è

direttamente proporzionale al gradiente di pressione

parziale (concentrazione)

2) La velocità di diffusione attraverso le membrane è

direttamente proporzionale all'area di scambio

disponibile

3) La velocità di diffusione attraverso una membrana è

inversamente proporzionale allo spessore della

membrana stessa

4) La diffusione è molto rapida sulla breve distanza

Il surfactante

•

• Il surfactante diminuisce la tensione superficiale T del

liquido che riveste gli alveoli il lavoro richiesto per

espandere gli alveoli a ogni atto respiratorio è minore

• È più concentrato negli alveoli

più piccoli e rende la loro T inferiore

a quella degli alveoli

più grandi

Permette quindi di eguagliare la

P tra gli alveoli di dimensioni diverse,

impedendo agli alveoli

piccoli di collassare

Legge di Laplace:

P = 2T/r

P = pressione d’aria

T = tensione superficiale

r = raggio alveolo

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I volumi e le capacità polmonari

I volumi e le capacità polmonari (2)

Volume corrente (V ) C

- volume d'aria spostato durante una sola espirazione/inspirazione normale

Volume di riserva inspiratoria (VRI)

- volume aggiuntivo inspirato forzatamente oltre al VC

Volume di riserva espiratoria (VRE)

- volume espirato forzatamente dopo l'espirazione normale

Volume residuo (VR)

- volume d'aria presente dopo un'espirazione massimale

- q.tà massima di aria che può essere spostata volontariamente in un atto resp.

CV + VR

VRI + VC

•

•

•

•

• Capacità vitale (CV) VC + VRI + VRE

• Capacità polmonare totale (CPT)

• Capacità inspiratoria

• Capacità funzionale residua (CFR) VRE + VR

=

=

=

=

circa 4500 mL

circa 5700 mL

circa 3500 mL

circa 2200 mL

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Efficacia della ventilazione

Spazio morto (150 ml): volume d'aria nelle vie di conduzione,

che non scambiano gas con il sangue

La ventilazione alveolare

• È la quantità di aria che raggiunge gli alveoli ogni minuto

Frequenza respiratoria × (VC - volume dello spazio morto)

• A riposo 12 respiri/min × (500 ml - 150 ml) = 4200 ml/min

• La ventilazione alveolare è molto influenzata da cambiamenti

della frequenza e della profondità (VC) della ventilazione

Emoglobina e trasporto dell'ossigeno

L'ossigeno viene trasportato nel

sangue in due modi:

• Disciolto nel plasma (1,5%)

- solo 3 ml di O2 in un litro di

sangue (l'O2 ha bassa solubilità)

• Legato all'Hb (98,5%)

- 197 ml/litro di sangue

Con una gittata cardiaca di 5 l/min

(3+197) ml/l × 5 l/min 1 l/min

di O2 distribuito ai tessuti

=

Capacità di trasporto dell'ossigeno

Accoppiamento ventilazione-perfusione

• La ventilazione alveolare è accoppiata

alla perfusione dei capillari polmonari

• Disaccoppiamento tra ventilazione

e perfusione:

- Se la ventilazione in un gruppo di alveoli

diminuisce (PCO2 e PO2), il sangue che

fluisce in rapporto con questi alveoli non

viene ossigenato

• Meccanismi locali di controllo:

- la della PO2 provoca costrizione delle

arteriole, dirottando il flusso sanguigno

verso gli alveoli meglio ventilati

Ossiemoglobina e deossiemoglobina

L'ossiemoglobina (Hb·O2) è l'Hb legata all'O2 e si forma

tramite una reazione chimica reversibile (N.B.: la direzione

delle reazioni reversibili dipende dalle quantità di reagenti e prodotti)

Hb + O2 Hb·O2

•

•

•

Nei polmoni (PO alta) la reazione procede verso destra 2

formando ossiemoglobina

Nelle cellule (PO bassa) la reazione si inverte e procede 2

verso sinistra; l'ossiemoglobina rilascia O2 formando

deossiemoglobina (Hb ridotta)

2 La quantità di O che si può legare all'Hb, quindi,

è determinata dalla PO2 dei tessuti circostanti

Curva di dissociazione ossigeno-emoglobina

x 100 O2 effettivamente legato

MAX O2 legabile

% di saturazione di O2

Trasporto dell'anidride carbonica

La CO2 viene trasportata nel

sangue in tre modi:

• Disciolta nel plasma (7%)

- il CO2 è più solubile dell'O2

• Legata all'Hb (23%)

- carbamminoemoglobina

Hb + CO2 Hb·CO2

• Come ione bicarbonato (23%)

- HCO3- nel plasma

CO2 + H2O H+ + HCO3-

Influenze sulla curva di dissociazione O2-Hb

• Spostamenti a sinistra

• Spostamenti a destra

Effetto Bohr

capacità dell'Hb di legare O2

capacità dell'Hb di legare O2

Effetto carbaminico

pH

Influenze sulla curva di dissociazione O2-Hb (2)

Effetto della

temperatura Effetto

del 2,3-DPG

•

CO2 e ioni bicarbonato

La conversione della CO2 a bicarbonato (HCO3-):

- permette il trasporto della CO2 dalle cellule ai polmoni

- aiuta a mantenere il pH stabile (gli ioni bicarbonato

fanno da tampone per gli acidi)

Anidrasi carbonica

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Acido carbonico

• HCO3- diffonde rapidamente dai globuli rossi nel plasma

e ioni cloro (Cl-) entrano nel globulo rosso a rimpiazzarlo

• H+ viene tamponato dall'Hb Hb + H+ Hb·H

La composizione dei gas alveolari

Respirazione normale a riposo

PO2 100 mm Hg

PCO2 40 mm Hg

Ipoventilazione

PO2 fino a 30 mm Hg

PCO2 fino a 100 mm Hg

Iperventilazione

PO2 fino a 120 mm Hg

PCO2 fino a 20 mm Hg

Controllo riflesso della ventlazione

I tipi di ventilazione

Controllo della ventilazione

Centro

apneunistico

Gruppo

inspiratorio

ai motoneuroni del

diaframma e degli

intercostali esterni

Centro

pneumotassico

Stimolaz.

Inibizione

Gruppo

espiratorio

ai motoneuroni degli intercostali

interni e degli addomiali

Ritmicità degli atti respiratori

I cambiamenti di pressione durante la respirazione

Inspirazione a riposo:

A2) Il volume toracico aumenta e la pressione alveolare

(Palv) scende a -1 mm Hg. L'aria entra negli alveoli

A3) Il flusso d'aria continua mentre la Palv aumenta

gradualmente fino a uguagliare quella atmosferica

B2) La resistenza all'allungamento dei polmoni fa

scendere progressivamente la Ppl fino a -6 mm Hg

C2) Al termine dell'inspirazione, il volume d'aria nei

polmoni è al valore massimo del ciclo respiratorio

Espirazione passiva:

A4) Il volume toracico diminuisce per il ritorno elastico e

la Palv sale a 1 mm Hg. L'aria esce dagli alveoli

A5) Al termine dell'espirazione il flusso d'aria si blocca e

la Palv è di nuovo uguale alla Patm

I riflessi chemocettoriali

I chemocettori periferici

• Le concentrazioni sanguigne di

CO2, O2 e H+ influenzano la

ventilazione polmonare.

• Per esempio, se nel sangue

arterioso il livello di O2 è basso

(o è alto quello della CO2) la

ventilazione viene intensificata.

• I chemocettori periferici, come

quelli nei corpi carotidei,

avvertono cambiamenti della

concentrazione di O2 e H+ e

regolano la ventilazione di

conseguenza.

I chemocettori centrali

• I chemocettori centrali si trovano

nel bulbo, a contatto con il liquido

cerebrospinale

• La CO2 può attraversare la

barriera emato-encefalica, l'H+

libero nel plasma, invece, non può

• Nel liquido cerebrospinale la CO2

si trasforma in HCO3- e H+

• Gli ioni

questa

idrogeno

reazione

prodotti da

stimolano i

chemocettori centrali, causando

un aumento della ventilazione