Sistema respiratorio
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Unità 10 Gli scambi gassosi Unità 10 Gli scambi gassosi Obiettivi Conoscere i meccanismi con cui gli animali scambiano i gas con l’ambiente Apprendere le fasi degli scambi gassosi negli animali dotati di polmoni Conoscere la struttura del sistema respiratorio umano Riconoscere i rischi per la salute dei polmoni Prova di competenza - Sopravvivere ad alta quota Come fanno oche e anatre a volare ad alta quota dove, per la scarsità di ossigeno, gli esseri umani rischierebbero di morire? 3 Lezione 1 I MECCANISMI PER GLI SCAMBI GASSOSI NEGLI ANIMALI 4 10.1 Negli animali gli scambi gassosi supportano la respirazione cellulare Gli animali liberano l’energia contenuta nelle molecole fornite dal sistema digerente grazie alla respirazione cellulare L’ossigeno necessario a queste reazioni e il diossido di carbonio rilasciato come prodotto di scarto vengono scambiati con l’ambiente esterno tramite il sistema respiratorio La respirazione polmonare è l’atto respiratorio e lo scambio di gas con l’ambiente 5 10.1 Negli animali gli scambi gassosi supportano la respirazione cellulare STEP BY STEP Come sono legate tra loro la respirazione cellulare e la respirazione polmonare? 6 10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide Le superfici respiratorie devono essere ben inumidite perché, per diffondere attraverso le membrane, i gas devono essere disciolti in acqua Gli animali più semplici, come il lombrico, utilizzano come organo per scambiare i gas con l’esterno la superficie corporea 7 Piano di sezione Sezione trasversale della superficie respiratoria (la cuticola che riveste il corpo) CO2 Capillari O2 8 10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide La maggior parte degli animali possiede strutture specializzate per la respirazione – Branchie negli animali acquatici – Trachee negli insetti – Polmoni nei vertebrati terrestri 9 Superficie corporea Superficie respiratoria (trachee) O2 CO2 Cellule del corpo (non ci sono capillari) 10 Superficie corporea Superficie respiratoria (branchie) CO2 Capillare O2 11 CO2 CO2 O2 Superficie corporea Superficie respiratoria (polmoni) O2 Capillari 12 10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide STEP BY STEP In che modo la struttura di una branchia o di un polmone è correlata alla sua funzione respiratoria? 13 10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule Gli animali terrestri scambiano gas con l’esterno respirando l’aria: ciò ha due grandi vantaggi – L’aria può contenere O2 a una concentrazione superiore a quella dell’acqua – L’aria è più leggera e facile da spostare Lo svantaggio è la possibilità di perdere acqua per evaporazione 14 10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule Per evitare di perdere troppa acqua gli insetti effettuano gli scambi gassosi attraverso un sistema di tubi che si ramificano al loro interno – Trachee: tubi maggiori – Tracheole: ramificazioni più piccole – Sacche aree: riserve d’aria posizionate vicino agli organi che hanno maggiore richiesta di O2 15 Sacche aeree Trachee Apertura per l’aria Cellula del corpo Sacca aerea Tracheola Trachea O2 CO2 Parete del corpo 16 10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule STEP BY STEP Che cosa differenzia lo scambio di gas negli insetti da quello che avviene nei pesci o negli esseri umani? 17 10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico Gli scambi gassosi in ambiente acquatico – Hanno il vantaggio di non opporre difficoltà nel mantenere umide le superfici di scambio – Hanno lo svantaggio di poter contare su una minore concentrazione di O2 disponibile Le branchie sono molto efficienti nello scambio gassoso in acqua – Superficie di scambio molto ampia, spesso superiore alla superficie corporea 18 10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico Nei pesci, lo scambio gassoso è facilitato – dalla ventilazione: movimenti che aumentano il passaggio di acqua attraverso le branchie – dallo scambio controcorrente: il sangue nei capillari delle branchie scorre in senso opposto rispetto al flusso d’acqua che le attraversa 19 Sangue povero di ossigeno Sangue ricco di ossigeno Arco branchiale Direzione del flusso dell’acqua Arco branchiale Lamella Vasi sanguigni Opercolo Flusso dell’acqua tra le lamelle Flusso del sangue nei capillari della lamella Filamenti branchiali Scambio controcorrente % di O2 nel flusso di acqua 100 70 40 15 Diffusione di O2 dall’acqua al sangue 80 60 30 5 % di O2 nel sangue dei capillari 20 Arco branchiale Direzione Gill arch del flusso dell’acqua Oxygen-poor blood Lamella Oxygen-rich blood Direction of water flow Gill arch Arco Vasi branchiale Blood sanguigni vessels Operculum Opercolo (gill cover) Water flow between lamellae Gill filaments Blood flow through capillaries in lamella Countercurrent exchange Water flow, showing % O2 Filamenti 100 70 40 15 Diffusion of O2 from water to blood branchiali 80 60 30 5 Blood flow in simplified capillary, showing % O2 21 Sangue povero di ossigeno Sangue ricco di ossigeno Arco branchiale Lamella Vasi sanguigni Flusso dell’acqua tra le lamelle Filamenti branchiali Flusso del sangue nei capillari della lamella Scambio controcorrente % di O2 nel flusso di acqua 100 70 40 15 Diffusione di O2 80 60 30 5 dall’acqua % di O2 al sangue nel sangue dei capillari 22 10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico STEP BY STEP Che cosa succederebbe se nei capillari delle branchie il sangue scorresse nella stessa direzione dell’acqua, anziché controcorrente? 23 10.5 Negli animali dotati di polmoni gli scambi gassosi avvengono in tre fasi Le tre fasi dello scambio di gas – Respirazione – Trasporto dei gas da parte del sistema circolatorio – Scambio di gas tra il sangue e le cellule dei tessuti Anche se gli scambi gassosi vengono spesso indicati con il termine generale di respirazione, è importante non confonderli con la respirazione cellulare 24 O2 1 CO2 Respirazione Polmone Sistema circolatorio 2 Trasporto di gas da parte del sistema circolatorio Mitocondri 3 O2 Scambio CO2 di gas Capillare con le cellule dell’organismo Cellula 25 10.5 Negli animali dotati di polmoni gli scambi gassosi avvengono in tre fasi STEP BY STEP Perché gli esseri umani non possono sopravvivere per più di qualche minuto senza ossigeno? 26 10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma I tetrapodi sembrano essersi evoluti in acque poco profonde – Sono stati trovati fossili che documentano diverse forme di transizione tra ambiente acquatico e terrestre – I primi adattamenti sembrano essere legati alla possibilità di emergere dall’acqua e respirare aria 27 28 10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma I primi tetrapodi che hanno colonizzato la terraferma si sono differenziati in quattro linee evolutive – Anfibi: usano sia polmoni sia superficie corporea per scambi gassosi – Rettili: tasso metabolico basso polmoni semplici – Uccelli: tasso metabolico alto polmoni complessi – Mammiferi: tasso metabolico alto polmoni complessi 29 10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma STEP BY STEP In che modo gli adattamenti respiratori dei tetrapodi possono essere correlati all’evoluzione degli arti? 30 10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni Nel nostro sistema respiratorio l’aria entra nelle cavità nasali attraverso le narici – L’aria viene filtrata dai peli, riscaldata e umidificata – Nella parte superiore delle cavità nasali sono presenti recettori per gli odori – L’aria può essere aspirata anche dalla bocca, ma in questo caso non subisce lo stesso trattamento che avviene nelle cavità nasali 31 10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni Dalle cavità nasali l’aria prosegue – Nella laringe – Nella laringe passa attraverso le corde vocali – Prosegue nella trachea – Si divide nei due bronchi – Entra nei bronchioli – Raggiunge infine gli alveoli, sacche aeree in cui avviene lo scambio di gas 32 Sangue ricco di ossigeno Cavità nasale Sangue povero di ossigeno Bronchiolo Faringe (Esofago) Polmone sinistro Laringe Alveoli Trachea Polmone destro Capillari sanguigni Bronco Bronchiolo Diaframma (Cuore) 33 Cavità nasale Faringe (Esofago) Laringe Trachea Polmone sinistro Polmone destro Bronco Bronchiolo Diaframma (Cuore) 34 Sangue ricco di ossigeno Sangue ricco di ossigeno Bronchiolo Alveoli Capillari sanguigni 35 SEM 250x 36 SEM 250 colorata 37 10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni La struttura degli alveoli li rende molto efficienti nello scambio di gas – Grande superficie di contatto con i capillari – Grande superficie di contatto con l’aria Negli alveoli – L’O2 diffonde nel sangue – Il CO2 diffonde all’esterno 38 10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni STEP BY STEP In che modo la struttura degli alveoli è correlata alla loro funzione? 39 Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni COLLEGAMENTO salute Gli alveoli sono molto delicati: fumo e inquinamento possono danneggiarli profondamente – Enfisema: danneggiamento delle pareti degli alveoli – Bronchite cronica: infiammazione cronica della mucosa bronchiale – BPCP broncopenumopatia cronica ostruttiva: combinazione di enfisema e bronchite cronica 40 Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni COLLEGAMENTO I danni del tabacco Irritazione della mucosa delle vie respiratorie – Inibizione o distruzione delle ciglia accumulo di muco tosse Morte dei macrofagi che proteggono le vie respiratorie Cancro al polmone 41 salute Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni COLLEGAMENTO Il fumo non danneggia solo il sistema respiratorio – Danni alle pareti dei capillari – Maggior rischio di infarto e ictus Ogni anno il fumo uccide 6 milioni di persone nel mondo – 80 000 solo in Italia 42 salute 43 Cuore Polmone 10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria L’atto della respirazione consiste nell’alternarsi di inspirazione ed espirazione dell’aria Durante l’inspirazione – La cassa toracica si espande – Il diaframma si contrae abbassandosi – I polmoni si espandono – La pressione dell’aria negli alveoli diventa inferiore a quella atmosferica e l’aria penetra nelle vie aeree dall’esterno 44 10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria Durante l’espirazione – Il diaframma si rilassa sollevandosi – La cassa toracica si contrae – La pressione dell’aria nei polmoni diventa superiore a quella atmosferica, costringendola a uscire 45 La cassa toracica si espande quando i muscoli intercostali si contraggono Aria inspirata La cassa toracica si contrae quando i muscoli intercostali si rilassano Aria espirata Polmone Diaframma Il diaframma si contrae (si abbassa) Inspirazione Il diaframma si rilassa (si alza) Espirazione 46 10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria Non tutta l’aria viene espulsa durante l’espirazione – Un volume residuo rimane nei polmoni per evitare che gli alveoli collassino – Durante l’inalazione aria fresca ricca di ossigeno viene mischiata con il volume residuo di aria povera di ossigeno – Questo riduce la capacità di estrarre O2 dall’aria Negli uccelli l’aria scorre in una sola direzione e perciò lo scambio gassoso è più efficiente 47 10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria Il controllo della respirazione è involontario I centri di controllo della respirazione si trovano nell’encefalo Regolano la respirazione in base ai livelli di CO2 nel sangue Un calo del pH del sangue fa aumentare la frequnza e la profondità delle inspirazioni 48 Liquido cerebrospinale Cervello Ponte 1 Segnali nervosi inducono la contrazione dei muscoli intercostali Midollo allungato Diaframma Muscolli intercostali 49 Liquido cerebrospinale Cervello Ponte 2 I centri di controllo 1 Segnali nervosi inducono la contrazione dei muscoli intercostali della respirazione Midollo rispondono al allungato pH ematico Diaframma Muscolli intercostali 50 Liquido cerebrospinale Cervello Ponte 2 I centri di controllo 1 Segnali nervosi inducono la contrazione dei muscoli intercostali della respirazione Midollo rispondono al allungato pH ematico 3 Segnali nervosi indicano i livelli di O2 e CO2 Recettori per CO2 e O2 nell’aorta Diaframma Muscolli intercostali 51 10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria STEP BY STEP In che modo i centri di controllo della respirazione rispondono all’aumento della richiesta di O2 durante un intenso sforzo fisico? 52 Lezione 2 IL TRASPORTO DI GAS NEL CORPO UMANO 53 10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato con il sistema circolatorio Il cuore è diviso in due metà – La metà di destra pompa il sangue povero di ossigeno proveniente dai tessuti nei polmoni – La metà di sinistra pompa il sangue ricco di ossigeno proveniente dai polmoni nei tessuti Nei polmoni, a livello degli alveoli, il sangue scarica CO2 e si arricchisce di O2 Nei tessuti il sangue scarica O2 and raccoglie CO2 54 10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato con il sistema circolatorio Lo scambio di gas avviene per diffusione secondo un gradiente di pressione parziale – Un gas si muove dall’ambiente in cui è più concentrato a quello in cui lo è meno – Nei tessuti il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nel sangue – Perciò l’O2 si sposta nei tessuti e il CO2 nel sangue – Nei capillari degli alveoli il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nell’aria – Perciò l’O2 si sposta nei capillari degli alveoli e il CO2 nell’aria 55 Aria inspirata Aria espirata Spazi pieni di aria Cellule epiteliali alveolari CO2 O2 Capillari alveolari del polmone Sangue ricco di O2 e povero di CO2 Sangue ricco di CO2 e povero di O2 Cuore Capillari dei tessuti CO2 O2 Liquido interstiziale Cellule dei tessuti in tutto il corpo 56 10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato con il sistema circolatorio Lo scambio di gas avviene per diffusione secondo un gradiente di pressione parziale – Un gas si muove dall’ambiente in cui è più concentrato a quello in cui lo è meno – Nei tessuti il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nel sangue – Perciò l’O2 si sposta nei tessuti e il CO2 nel sangue – Nei capillari degli alveoli il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nell’aria – Perciò l’O2 si sposta nei capillari degli alveoli e il CO2 nell’aria 57 58 10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato con il sistema circolatorio STEP BY STEP Qual è il processo fisico alla base degli scambi gassosi? 59 10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue L’O2 è poco solubile in acqua, perciò, nel sangue, viene trasportato legato all’emogolbina – Formata da 4 catene polipeptidiche – Ogni catena lega un gruppo eme, che ha al centro un atomo di ferro – L’atomo di ferro lega e trasporta una molecola di O2 – L’emoglobina contribuisce anche a regolare il pH del sangue e a trasportare il CO2 60 Atomo di ferro O2 caricato nei polmoni O2 liberato nei tessuti Gruppo eme Catena polipeptidica O2 O2 61 10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue La maggior parte del CO2 viene trasportato sotto forma di ioni carbonato in soluzione nel plasma La reazione che si verifica è L’emoglobina lega gli ioni H+ Quando il sangue fluisce nei capillari polmonari avviene la reazione inversa 62 63 10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue STEP BY STEP Come vengono trasportati l’O2 e il CO2 nel sangue? 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