E3 - RESPIRAZIONE E CIRCOLAZIONE - Incontro con le scienze integrate - Zanichelli
1. La respirazione cellulare e la ventilazione polmonare
In genere non ci rendiamo conto di respirare, eppure questa funzione è fondamentale per l'organismo: senza
respirare resistiamo al massimo un paio di minuti. Ogni giorno, con la respirazione, entrano ed escono dal nostro
corpo circa 13 mila litri di aria; ma l'aria che entra non è uguale a quella che esce.
L'aria che entra, cioè quella inspirata, è un miscuglio di gas composto per il 78% circa di azoto (N2), per il 21%
circa di ossigeno (O2), per lo 0,03 circa di anidride carbonica (CO2); a questi si aggiungono piccole quantità di
altri gas e quantità variabili di vapore acqueo.
L'aria che esce, cioè quella espirata, contiene il 78% di azoto, il 17% di ossigeno e il 4% di anidride carbonica.
Dunque, nell'aria espirata c'è meno ossigeno e più anidride carbonica di quella inspirata. Il motivo è che il nostro
corpo utilizza l'ossigeno per «bruciare» il glucosio derivante dalla digestione e dall'assorbimento degli zuccheri.
Come il legno per bruciare e trasformarsi in acqua, anidride carbonica e cenere (il residuo formato da sali
minerali) ha bisogno di ossigeno, così il glucosio per «bruciare» nelle nostre cellule ha bisogno di ossigeno e,
nel corso della combustione, forma acqua e anidride carbonica. Ecco da dove viene l'anidride carbonica in più
dell'aria espirata.
L'anidride carbonica è un prodotto di rifiuto che deve essere eliminato. L'azoto dell'aria, che è un gas inerte, non
reagisce con alcuna molecola del nostro corpo: quindi entra ed esce dall'organismo senza provocare
trasformazioni.
Il processo chimico che fornisce l'energia al corpo liberando quella contenuta nella molecola del glucosio è la
respirazione cellulare, che ha luogo nei mitocondri delle cellule.
Buona parte dell'energia liberata è sotto forma di calore che serve a mantenere costante la temperatura del
corpo. Una parte, però, è energia chimica, cioè energia che serve a far avvenire le molteplici reazioni che sono
alla base del metabolismo cellulare. Questa energia viene temporaneamente accumulata nelle molecole di ATP
(adenosintrifosfato). L'ossigeno che permette la combustione del glucosio è quello che, entrato nei polmoni,
viene catturato dal sangue che lo distribuisce a tutto il corpo. A livello dei tessuti, il sangue contenuto nei capillari
scarica l'ossigeno e si carica dell'anidride carbonica prodotta dalle cellule. Quando, proseguendo la sua corsa, il
sangue arriva ai polmoni, scarica l'anidride carbonica e si ricarica di ossigeno che verrà nuovamente distribuito
alle cellule.
Il processo di scambio dei gas respiratori tra il sangue e l'ambiente esterno che avviene nei polmoni è
denominato semplicemente respirazione, ma sarebbe più appropriato chiamarlo ventilazione, per non
confonderlo con la respirazione cellulare.
2. L'apparato respiratorio
L'aria entra nel corpo attraverso le narici e fluisce nelle cavità nasali, dove viene filtrata, inumidita e riscaldata.
Passa quindi nella faringe, poi nella laringe e di qui nella trachea, un tubo lungo circa 10 cm, che si divide in due
bronchi: uno che entra nel polmone di destra e uno che entra in quello di sinistra.
Nei polmoni, i bronchi si ramificano in bronchioli sempre più piccoli, che terminano in numerose piccole camere
circondate dai capillari sanguigni, dette alveoli. Gli alveoli sono minuscole sacche (0,1-0,2 mm di diametro) a
fondo cieco, con una parete di un solo strato di cellule e ricca di capillari; il loro numero è elevatissimo (circa 300
milioni), quindi la superficie di scambio dei gas respiratori, costituita dalle loro pareti, è molto ampia.
I polmoni, due organi spugnosi per la presenza degli alveoli, sono posti nella cavita toracica, dove è alloggiato
anche il cuore. Essi sono privi di tessuto muscolare e quindi incapaci di movimenti propri: seguono
passivamente i movimenti della gabbia toracica e del diaframma, il muscolo a forma di cupola che separa il
torace dall'addome.
Il ricambio dell'aria all'interno dei polmoni si articola in due fasi successive: l'inspirazione e l'espirazione.
Durante l'inspirazione, il diaframma si contrae e si abbassa; contemporaneamente anche i muscoli
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intercostali, posti tra una costola e l'altra, si contraggono e spingono in alto e in fuori le costole; il volume
della gabbia toracica aumenta e i polmoni si espandono, richiamando in essi aria dall'esterno.
Durante l'espirazione, i muscoli intercostali e il diaframma si rilasciano: le costole si avvicinano e la cupola
del diaframma si innalza di nuovo. Il volume della gabbia toracica diminuisce e l'aria viene espulsa
passivamente dai polmoni.
L'ossigeno si diffonde dall'aria degli alveoli, dove ce n'è di più, al sangue dei capillari, dove ce n'è di meno; per le
stesse ragioni l'anidride carbonica si diffonde dal sangue dei capillari, dove ce n'è di più, all'aria degli alveoli,
dove ce n'è di meno.
L'ossigeno è poco solubile nel plasma (la parte liquida del sangue) e per questo il suo trasporto fino alle cellule e
affidato ai globuli rossi del sangue.
3. II sangue
Il sangue è un tessuto connettivo fluido che scorre in un sistema di vasi, senza mai uscire da essi, e che svolge
moltissime funzioni. Distribuisce sostanze utili alle cellule del corpo, rimuove i rifiuti, provvede alla difesa
dell'organismo contro gli agenti patogeni (virus e batteri), contribuisce a mantenere la temperatura costante e, in
caso di ferite, forma coaguli per evitare emorragie.
Un uomo adulto ha circa 5 litri di sangue. Il 45% del sangue è costituito dalla parte corpuscolata o elementi
figurati, composta da globuli rossi, globuli bianchi e piastrine; il 55% è costituito dalla parte liquida, il plasma.
Il plasma è formato principalmente da acqua (90%) e contiene disciolti sali e molte altre sostanze tra cui: i
prodotti della digestione, gli ormoni, alcune proteine come gli anticorpi e i prodotti di scarto come l'urea e
l'anidride carbonica. Il plasma ha un ruolo importante nella termoregolazione, cioè nel mantenimento di una
temperatura interna costante. Esso infatti preleva e distribuisce il calore prodotto dagli organi molto attivi, come il
fegato e i muscoli. I sali e le proteine contenute nel plasma fanno parte di un sistema detto «sistema tampone»,
il quale fa sì che il pH del sangue si mantenga intorno al valore di 7,4. Sia il sistema di termoregolazione sia
quello tampone fanno parte dei meccanismi di omeostasi.
La parte corpuscolata del sangue è costituita dai globuli rossi, dai globuli bianchi e dalle piastrine.
I globuli rossi, o eritrociti, sono cellule senza nucleo a forma di disco biconcavo, di circa 7 µm di diametro e
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1 µm di spessore. Sono le cellule più numerose del sangue: normalmente sono circa 5.000.000/mm
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nell'uomo, 4.500.000/mm nella donna. Hanno una vita media di 120 giorni; nel nostro organismo ne
muoiono circa 2.000.000 al secondo. In ogni globulo rosso vi sono, ben stipate, circa 270 milioni di molecole
di emoglobina, la proteina che trasporta l'ossigeno. Ogni molecola è costituita da quattro catene globulari,
all'interno di ognuna delle quali si trova un gruppo di atomi, detto eme, contenente un atomo di ferro. Grazie
agli atomi di ferro presenti nell'eme, ogni molecola di emoglobina lega a sé quattro molecole di ossigeno,
che poi rilascia nei tessuti. I globuli rossi nascono come cellule nucleate; maturando, perdono il nucleo per
«fare posto» all'emoglobina e pertanto non possono riprodursi. Eppure, anche se ne muoiono a milioni ogni
secondo, nel sangue compaiono costantemente nuovi globuli rossi. Quelli vecchi e alterati sono «rottamati»
nel fegato e nella milza, che ne riutilizzano parte dei componenti.
I globuli bianchi, o leucociti, sono cellule più grandi dei globuli rossi e possono abbandonare l'apparato
circolatorio e passare nel liquido che circola tra i tessuti qualora si riconosca la presenza di organismi o
sostanze estranee; la loro funzione è infatti quella di difesa contro agenti patogeni come batteri e virus. I
globuli bianchi sono cellule provviste di nucleo e, se non vengono colorati artificialmente per l'osservazione
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al microscopio, appaiono incolori. In condizioni normali, il loro numero si aggira attorno ai 6000-7000/mm ,
ma possono aumentare in seguito a un'infezione. Nel sangue esistono diversi tipi di leucociti, presenti, in un
organismo sano, in percentuali differenti.
I granulociti, così detti perché contengono al loro interno delle granulazioni e hanno il nucleo lobato,
comprendono i neutrofili, i basofili e gli eosinofili. Alcuni globuli bianchi, una volta giunti nei tessuti, si
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trasformano in macrofagi, grosse cellule che fagocitano organismi estranei. Infine, fino al 40% dei globuli
bianchi è rappresentato dai linfociti, le importanti cellule del sistema immunitario di cui ci occuperemo più
avanti.
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Le piastrine sono frammenti di cellule e sono circa 500.000/mm . In seguito alla lesione di un vaso
sanguigno, esse liberano sostanze che mettono in moto il processo di coagulazione. Il coagulo si forma
quando il fibrinogeno, una proteina solubile del plasma, si trasforma, grazie alle sostanze liberate dalle
piastrine e agli ioni calcio, in fibrina, una proteina filamentosa insolubile. I filamenti di fibrina formano una
fitta rete nelle cui maglie restano intrappolate piastrine e globuli rossi, formando un coagulo che tampona la
ferita.
Chi provvede alla formazione della parte corpuscolata del sangue o emofoiesi? I globuli rossi, la maggior parte
dei bianchi e le piastrine hanno tutti la stessa origine: le cellule staminali del midollo rosso contenuto nelle cavità
del tessuto osseo spugnoso. Le cellule staminali hanno un'attività incredibile: ogni ora producono diversi miliardi
(da 3 a 10) di cellule del sangue che provvederanno a svolgere le diverse funzioni.
La formazione dei globuli rossi è stimolata dall'ormone eritropoietina, o EPO, prodotta dal rene quando appositi
sensori registrano una carenza di ossigeno. Per i suoi effetti l'EPO è usata non solo come farmaco ma anche
come doping.
4. II cuore è la doppia pompa che muove il sangue
Il cuore è situato al centro del torace, tra i polmoni, alloggiato in una cavità del polmone sinistro detta «letto del
cuore». Esso ha le dimensioni di un pugno, pesa circa 300 g ed è formato da un tessuto muscolare striato detto
miocardio.
All'interno il cuore è diviso in quattro cavità, due superiori, o atri, e due inferiori, o ventricoli. Ogni atrio
comunica con il corrispondente ventricolo mediante delle valvole: nella parte destra troviamo la valvola
tricuspide, in quella sinistra la valvola bicuspide. A queste valvole è affidato il compito di regolare i flussi
sanguigni tra le camere cardiache, una funzione che svolgono aprendosi e chiudendosi ritmicamente. Le valvole
semilunari, invece, impediscono il riflusso del sangue nei ventricoli: esse sono poste all'imboccatura dei condotti
che fanno defluire il sangue dal cuore verso la periferia, l'arteria polmonare nel ventricolo destro e l'aorta nel
sinistro.
Se una qualunque delle valvole cardiache è danneggiata (dalla nascita o in seguito a malattie), il sangue
rifluisce attraverso la valvola, producendo un rumore caratteristico noto come «soffio al cuore».
Mentre la parte destra del cuore pompa il sangue non ossigenato proveniente dal corpo nella direzione dei
polmoni perché si carichi di ossigeno, la parte sinistra pompa il sangue ossigenato proveniente dai polmoni nella
direzione del corpo, perché l'ossigeno sia distribuito alle cellule. Il percorso del sangue cuore-polmoni-cuore è
detto piccolo circolazione, quello cuore-periferia-cuore è detto grande circolazione.
I condotti in cui scorre il sangue sono denominati vene e arterie: le vene portano il sangue al cuore; le arterie
lo portano via dal cuore. Proviamo ora a «inseguire» un globulo rosso nella sua corsa attraverso il corpo a
partire dalla periferia.
Un globulo rosso, carico di anidride carbonica proveniente dalla circolazione periferica, entra nell'atrio
destro del cuore portato da una delle due vene cave: dalla vena cava superiore se proviene dalla
circolazione della parte superiore del corpo, dalla vena cava inferiore se proviene dalla circolazione della
parte inferiore;
dall'atrio destro passa nel sottostante ventricolo, senza possibilità di ritornare indietro grazie alla chiusura
della valvola tricuspide;
dal ventricolo destro imbocca l’arteria polmonare diretta ai polmoni;
nei polmoni, a livello di un alveolo, il globulo rosso scarica l'anidride carbonica, si carica di ossigeno e
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imbocca le vene polmonari, per tornare nell'atrio sinistro del cuore e passare nel ventricolo sinistro;
la valvola bicuspide si richiude alle sue spalle e, grazie alla contrazione del ventricolo sinistro, il globulo
rosso imbocca l'arteria aorta che porta il sangue in tutte le zone del corpo con la cosiddetta circolazione
periferica. Dalla circolazione periferica farà ritorno con le vene cave all'atrio destro del cuore, nuovamente
povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica.
Tempo reale per questa straordinaria corsa: circa 45 secondi.
Il cuore agisce come una pompa perché è un muscolo in grado di contrarsi. Quando gli atri si contraggono, cioè
sono in sistole, il sangue viene spinto nei sottostanti ventricoli che essendo invece rilasciati, cioè in diastole, si
riempiono di sangue. Subito dopo avviene il contrario: i ventricoli si contraggono, cioè entrano in sistole, e
contemporaneamente gli atri si rilasciano, cioè entrano in diastole.
Con la contrazione dei ventricoli, il sangue viene spinto con forza nei condotti che lo portano via dal cuore,
mentre gli atri si riempiono del sangue che arriva al cuore. Per imprimere una spinta formidabile al sangue che
dall'aorta dovrà giungere in tutto il corpo, le pareti del ventricolo, soprattutto di quello sinistro, sono molto
spesse.
Il numero di battiti cardiaci in un minuto, ovvero la contrazione ritmica del cuore, è variabile: circa 110 battiti nei
bambini, 70-80 negli adulti, mentre negli atleti si abbassa a 50-60. Si ha tachicardia quando il numero dei battiti
aumenta improvvisamente, bradicardia quando diminuisce.
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