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APPUNTI PER IL LICEO SPORTIVO - MATERIA: DISCIPLINE SPORTIVE
Circolo respiratorio
A cura del Prof. Danilo Diana dell’IISS “A.Righi” Taranto
Per “Circolo respiratorio” intendiamo il percorso che compiono i gas fondamentali per la respirazione, come
l’ossigeno (O2) e l’anidride carbonica (CO2) dal momento in cui vengono prelevati dall’aria atmosferica e
introdotti nell’organismo tramite la inspirazione, per essere utilizzato dalle cellule, fino al momento in cui
ritornano nell’atmosfera grazie all’espirazione. Quindi il percorso è: dall’aria atmosferica, al naso, alla faringe, alla
laringe, alla trachea, ai bronchi, agli alveoli polmonari, quindi al sangue fino alle cellule del nostro corpo e ritorno
tramite le stesse vie.
Aria atmosferica
L’aria atmosferica è composta da corpuscoli solidi in sospensione (polveri) e
La pressione parziale (2).
da tre gas fondamentali. L’O2 caratterizza il 20,93% e l’CO2 solo lo 0,03% dei
Un gas si muove in obbedienza ad un
gas atmosferici e sono quelli di interesse respiratorio. L’azoto costituisce il
gradiente di pressione. La differenza
79,04% dell’aria atmosferica ma essendo un gas inerte non partecipa ai processi
di pressione esistente tra l’O2
contenuto nell’aria alveolare e quello
metabolici dell’organismo e non ha alcun ruolo nello scambio gassoso del
contenuto nel sangue è sufficiente a
circolo respiratorio. Una percentuale poco significativa è riservata ad altri tipi
spingere il gas attraverso le
di gas. L’aria, a livello del mare, esercita una pressione totale pari a 760
membrane fino a giungere al sangue.
Ugualmente dicasi per la CO2 ma nel
millimetri di mercurio (mmHg), cioè tutti i suoi componenti (gas e polveri), se
verso contrario.
2
considerati in un cm peserebbero 1Kg. La percentuale di circa il 21% di O2
rimane costante in atmosfera fino ad una quota di 13500m sul livello del mare (4). Ciò che cambia invece è la
pressione parziale dell’O2 che diminuisce man mano che si sale di quota. Se a livello del mare la pressione
parziale dell’O2 in atmosfera è di 149mmHg, a 1000m si abbassa a 140mmHg e a 2000m diventa 115mmHg (4).
Questo accade perché con l’altitudine diminuisce la densità dell’aria (o resistenza dell’aria) a causa della
diminuzione del numero di molecole di gas per unità di volume di aria. Nell’aria che si trova negli alveoli la
quantità di O2 è del 14-15% (corrispondente ad una pressione parziale di circa 100mmHg), invece la pressione
parziale dell’O2 nel sangue venoso è sensibilmente inferiore, ecco perché l’O2 diffonde dagli alveoli verso il
sangue ossigenandolo. Viceversa avviene per l’CO2.
Naso e fosse nasali.
Prima che l’aria arrivi ai polmoni dove avviene lo scambio gassoso, deve percorrere le vie respiratorie ( o vie
aeree) che non partecipano alla vera e propria respirazione e che sono distinte in vie respiratorie superiori e
inferiori. Il meccanismo dell’inspirazione richiama l’aria atmosferica che entra nell’organismo attraverso le narici
e le fosse nasali. L’ingresso attraverso il naso offre una serie di vantaggi (controlli e preparazioni dell’aria) che
sono presenti solo in parte nella respirazione orale (attraverso la bocca). Ma poiché la resistenza aerodinamica
nella respirazione orale è circa la metà di quella nasale, quando è necessario un grande volume respiratorio
nell’unità di tempo, si è costretti a ricorrere anche alla respirazione orale. Nel naso l’aria viene purificata,
preriscaldata, inumidita e controllata grazie all’olfatto. All’inizio degli anni ’90 è stato ideato il “cerotto nasale” la
cui utilità è stata dimostrata scientificamente. Infatti in alcuni atleti agisce abbassando la resistenza respiratoria
durante la respirazione nasale migliorando il rendimento della ventilazione, sia negli sport di resistenza che nei
giochi sportivi. L’efficacia del cerotto è maggiore in atleti col naso stretto che riescono a compiere così un
minore lavoro respiratorio.
La purificazione dell’aria avviene, da un lato, passivamente, grazie alla superficie umida (coperta di muco) delle
mucose nasali, alle quali restano attaccate circa l’80% delle particelle di polvere e dei batteri. Dall’altro lato la
purificazione dell’aria è realizzata attivamente grazie all’epitelio ciliato (presente fino alla trachea) le cui ciglia
vibratili spingono le particelle verso la trachea e le eliminano attraverso di essa con la espirazione o con lo
starnuto e il colpo di tosse. Alla fine del percorso nelle vie aeree superiori e inferiori il 99% delle polveri inalate è
eliminato. Quando queste modalità di purificazione dell’aria sono danneggiate, come spesso accade nei fumatori,
minatori, muratori, marmisti, ecc., si possono sviluppare infiammazioni della mucosa o malattie come la silicosi.
Il riscaldamento dell’aria avviene grazie alla ricca irrorazione sanguigna presente nelle fosse nasali che adattano la
temperatura dell’aria a quella corporea.
1
L’umidificazione dell’aria è regolata attraverso le secrezioni delle mucose. In pratica l’aria secca viene umidificata
grazie alla mucosa che quindi tende ad asciugarsi.
Faringe.
La faringe rappresenta un punto di passaggio che collega le fosse nasali (collegate con i seni paranasali e
l’orecchio medio) con la laringe. Al centro della faringe si incrociano le vie respiratorie con quelle digestive, l’aria
tende a dirigersi ventralmente nella laringe e il cibo dorsalmente nell’esofago.
Laringe.
L’accesso alla laringe è protetto dalla epiglottide che durante la deglutizione si sposta in alto impedendo al cibo
di penetrare nella trachea. Inoltre la laringe svolge un importante ruolo nella fonazione (formazione della voce)
grazie ad un complesso sistema di muscoli e legamenti che si inseriscono nella cartilagine di cui è composta.
Trachea.
E’ un condotto lungo circa 11cm e largo 2cm formato da 15-20 anelli cartilaginei aperti posteriormente a
forma di C, collegati tra loro da brevi legamenti elastici e dorsalmente da muscolatura liscia. L’epitelio ciliato di
cui è dotata la superficie interna contribuisce alla purificazione dell’aria facendo risalire le particelle di polvere
che giungono ai polmoni.
Bronchi.
All’altezza della 4ª vertebra toracica, la trachea si suddivide nei due bronchi principali, che nei polmoni si
diramano (circa 20-23 volte in ciascun lato dei polmoni) in rami sempre più piccoli e infine terminano negli
alveoli polmonari. Si formano così circa un milione di rami terminali ai quali sono attaccati un numero molto
variabile, da individuo a individuo, di alveoli (da 60 milioni a 1 miliardo) (3). La bronchite cronica dei fumatori
provoca gonfiore delle mucose, una maggiore formazione di muco e una ipertrofia dei muscoli bronchiali e,
quindi, un notevole aumento della resistenza di queste vie respiratorie al passaggio dell’aria. Questo comporta un
drastico aumento del lavoro respiratorio (6).
Sotto sforzo
A riposo
Polmoni.
L’elemento funzionale dei polmoni è rappresentato dagli alveoli polmonari
Fig.1
(Fig.1) di cui solo il 10% è sufficiente allo scambio gassoso di una persona
sana e a riposo, la restante parte è disponibile come riserva funzionale. Ogni
alveolo (paragonabile, nell’adulto, ad una palla di diametro 0,2mm contenuta
all’interno del “canestro chiuso di basket”) è servito da circa 1000 segmenti
capillari (immaginiamo la retina del canestro che avvolge la palla). L’ossigeno
per passare dall’alveolo al sangue attraversa una barriera sottilissima (circa
1µm o micrometro cioè 0,001mm ) costituita dalla parete alveolare e quella dei
capillari. Gli alveoli rappresentano l’ultima barriera per le particelle di polvere
inalate (quelle più piccole), grazie alla presenza di cellule (fagociti alveolari) sulla superficie alveolare, deputate
all’assorbimento e all’eliminazione di tali particelle tramite il flusso ematico.
I polmoni sono rivestiti da una sottile membrana connettivale (pleura) che è formata da due foglietti. Quello
interno ricopre direttamente la superficie dei polmoni (pleura viscerale) mentre quello esterno aderisce
perfettamente alla superficie interna della gabbia toracica (pleura parietale). Tra i due foglietti c’è uno spazio
sottilissimo (da 1 a 20mm) riempito da un liquido sieroso (liquido pleurico). I due foglietti quindi aderiscono
saldamente l’uno all’altro, senza perdere il loro potere di scorrimento; un po’ come due
lastre di vetro che aderiscono tramite una superficie bagnata. La quantità o volume di
aria che i polmoni possono muovere attraverso la inspirazione/espirazione dipende
dall’età, dal sesso, dallo stato di allenamento, dalla statura e dal peso corporeo. Questa
cosiddetta Capacità Polmonare Totale, si suddivide in quattro parti (vedi Fig.2)
normalmente misurabili con una spirometria, e sono (5):
Fig.2
1. IL VOLUME CORRENTE (VC). Volume di aria che viene introdotta ad
3
ogni inspirazione normale a riposo e corrisponde a circa 500cm di aria,
ovvero a ½ litro.
2. IL VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (VRI). Volume di aria che può
essere introdotto dopo un massimo sforzo inspiratorio e corrisponde a circa
2000cm3 di aria, ovvero a 2 litri.
2
3. IL VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (VRE). Volume di aria che può essere espulso con un
massimo sforzo espiratorio e corrisponde a circa 1500cm3 di aria, ovvero a 1,5 litri.
4. IL VOLUME RESIDUO (VR). Volume di aria che rimane nei polmoni anche dopo una massima
espirazione e corrisponde a circa 1200cm3 di aria.
La quantità di aria che può essere introdotta ed espulsa col massimo sforzo viene denominata Capacità Vitale
(CV) e corrisponde alla somma VC+VRI+VRE. La CV nelle donne è in media di 3,5litri e negli uomini di 4,5litri
e aumenta con l’allenamento.
Sangue.
L’ossigeno alveolare dopo aver attraversato la membrana dell’alveolo e la membrana del capillare (compreso lo
spazio esistente tra le due membrane) entra nel plasma sanguigno, raggiunge il globulo rosso dove si lega
chimicamente al ferro contenuto nell’eritrocita per formare una proteina chiamata emoglobina. Quindi l’O2 viene
trasportato in due modi: 1) la maggior parte dell’O2 circolante nel sangue è contenuto nei globuli rossi
sottoforma di emoglobina; 2) una minima parte è disciolta nel plasma in soluzione fisica. Il sangue dopo aver
ceduto il suo carico di ossigeno (O2) preleva dalle cellule tissutali l’anidride carbonica (CO2) da trasportare agli
alveoli per la successiva espulsione in atmosfera. L’CO2 viene trasportata in tre modi: 1) combinata
chimicamente con l’emoglobina all’interno del globulo rosso; 2) sottoforma di bicarbonato nel plasma; 3) in
semplice soluzione fisica nel plasma. Nella situazione di esercizio fisico, prima ancora che gli adattamenti
cardiocircolatori e respiratori consentano un maggiore afflusso di ossigeno ai tessuti e parallelamente un maggior
deflusso di anidride carbonica, a livello cellulare queste stesse funzioni cominciano a realizzarsi grazie alle
pressioni parziali dei due gas che variano in funzione dell’intensità dell’esercizio fisico. In pratica la produzione di
CO2 nelle cellule muscolari dovuta al lavoro muscolare fa si che, prima ancora che aumenti la gettata cardiaca e la
frequenza respiratoria, si verifichi un aumento del trasporto di O2 dal sangue alle cellule grazie ad una serie di
reazioni chimiche che anticipano il maggiore ingresso di O2 nelle cellule da parte della dinamica cardiaca e
ventilatoria.
Cellule.
Quando il sangue arterioso raggiunge i capillari del tessuto muscolare, l’emoglobina cede una parte del suo
carico di ossigeno (circa il 25% in condizioni di riposo), la restante parte è a disposizione nel caso in cui aumenti
l’attività tissutale (come per esempio durante l’attività fisica). Per facilitare il trasferimento dell’O2 dentro la
cellula, le fibre muscolari sono caratterizzate dalla presenza di un pigmento, la mioglobina, che opera attraverso
un processo attivo, e non per semplice diffusione. Le molecole di O2 vengono così cedute da una molecola di
mioglobina all’altra con un procedimento di “comandata al secchio” (1) e trasferite nei mitocondri dove l’O2 è
impiegato nei processi di formazione dell’energia.
O2
O2
Polmoni
Globulo rosso
O2
O2
CO2 CO2
CO2
Capillare Polmonare
Plasma
Schema di come l’O2 entra nel sangue
dagli alveoli e l’CO2 abbandona il sangue.
Spazio tissutale
Globulo rosso
CO2 CO2
CO2
Capillare Tissutale
Plasma
Schema di come l’O2 diffonde dal sangue
alle cellule tissutali, mentre l’CO2 si
sposta dalle cellule dei tessuti al sangue.
3
IL LAVORO RESPIRATORIO.
Per lavoro respiratorio si intende l’energia spesa per consentire all’aria, contenente i gas respiratori, di transitare
attraverso le vie respiratorie Questa energia serve per il 64% a vincere le resistenze elastiche dell’apparato
locomotore (ossa, muscoli, tendini, legamenti del torace) e per
il 36% a contrastare le resistenze ventilatorie costituite
prevalentemente dalla resistenza al flusso all’interno delle vie
Fig.3
respiratorie superiori e inferiori (attriti).
La ventilazione polmonare (inspirazione ed espirazione) si
realizza grazie alla muscolatura del tronco, in particolare nella
Respirazione Toracica, l’espansione della gabbia toracica
avviene tramite il sollevamento delle coste mosse dai muscoli
intercostali esterni. Le coste ruotano verso l’esterno e si
sollevano, per cui si produce un aumento del diametro
trasversale e sagittale del torace, quindi del suo volume.
L’abbassamento delle coste durante l’espirazione forzata è
sostenuta dalla contrazione dei muscoli intercostali interni. Il
diaframma (linea rossa nella Fig.3), un largo muscolo che
divide la cavità toracica da quella addominale, rappresenta il
motore della Respirazione Addominale. Nella contrazione la
cupola del diaframma si abbassa appiattendosi, aumentando
così il volume della cavità toracica tramite l’aumento del suo
diametro longitudinale. Esistono altri muscoli, detti respiratori
accessori che contribuiscono alla ventilazione, e sono:
 Nella inspirazione: tutti i muscoli che sollevano le coste, tra cui i muscoli sternocleidomastoidei, scaleni e
i grandi pettorali (se le braccia sono alzate).
 Nella espirazione: tutti i muscoli che abbassano le coste, tra cui il muscolo retto addominale, gli obliqui
esterni ed interni dell’addome.
Come tutti i muscoli anche questi per funzionare consumano energia, in particolare nella respirazione a riposo
(in stato di veglia con modesta attività fisica) il consumo energetico per la ventilazione corrisponde circa all’1%
del metabolismo basale giornaliero. Il ritmo e la profondità ventilatoria aumentano durante il carico fisico fino a
richiedere un costo energetico pari al 25-30% del metabolismo basale (7).
LA RESPIRAZIONE COMPRESSIVA.
Nella respirazione compressiva l’aria viene spinta contro la glottide
chiusa e ciò può essere provocato volontariamente (manovra di
Valsalva), o anche involontariamente durante attività sportive che
pongono esigenze elevate di forza (sollevamento pesi)(8). Fino a
carichi del 15% della Massima Contrazione Volontaria, non si
produce ancora una rilevante compressione dei vasi sanguigni
all’interno della muscolatura. Solo a partire dal 70% si produce una
completa compressione dei vasi con diminuzione della capacità di
irrorazione sanguigna. Si determina così una situazione metabolica
di tipo anaerobico che attiva il sistema nervoso simpatico in reazioni eccitatorie (come l’aumento della
contrattilità del tessuto muscolare del cuore, funzionale a vincere l’aumentata pressione sanguigna periferica). Lo
sforzo massimo produce una riduzione temporanea della portata cardiaca (8) per questo tale sollecitazione,
associata ad una respirazione compressiva, deve essere evitata dai soggetti a rischio coronarico (13) o da persone
con fenomeni di sclerosi vascolare (13), in gravidanza (10), nell’attività per l’anziano (11) e per i bambini (12), e
in generale nell’attività di forza come allenamento per la salute (9). La respirazione compressiva determina una
carenza di flusso sanguigno al cervello e pertanto può causare fenomeni di collasso. In un atleta allenato, la
respirazione compressiva, non determina particolari problemi ed è addirittura necessaria per sviluppare
espressioni di forza massima. La forza sviluppata dalla contrazione muscolare è minore durante l’inspirazione,
leggermente superiore durante la espirazione, e aumenta ancor di più se si trattiene il respiro.
GLI ADATTAMENTI DEL SISTEMA RESPIRATORIO ALL’ATTIVITÁ FISICA.
L’allenamento porta ad un miglioramento della regolazione della ventilazione, quindi, ad una maggiore
economia globale della respirazione. In pratica un soggetto allenato, all’inizio del carico, adatta più rapidamente
4
la sua ventilazione alle necessità di ossigeno soprattutto attraverso un incremento rapido del Volume Corrente
che, da un lato, opera un maggior sfruttamento dell’aria del cosiddetto “spazio
Lo spazio morto (15).
morto” e in seconda battuta, grazie alla minore frequenza respiratoria, produce
Si definisce spazio morto quella parte
una diminuzione dei costi energetici (14). Gli adattamenti più evidenti si
delle vie respiratorie che serve alla
hanno, naturalmente, nei soggetti allenati alla resistenza, nei quali al termine del conduzione dell’aria che non
partecipa allo scambio gassoso (naso,
carico fisico, la respirazione si normalizza più velocemente tornando ai valori
bocca, faringe, laringe, trachea,
iniziali di riposo. Siccome tra i 12 e i 16 anni di età si ha un notevole aumento
bronchi). Il volume dello spazio
della massa e della superficie degli alveoli polmonari, in questo periodo, un
morto è di circa 150ml, quindi a
riposo con un volume corrente (VC)
allenamento della resistenza porta allo sviluppo di un polmone più funzionale
di 500ml, solo 350ml di aria (70% =
e, parallelamente, ad una maggior crescita della gabbia toracica (14). Oltre ad
ventilazione alveolare) entrerà
una maggiore ipertrofia della muscolatura respiratoria, il lavoro di capacità
effettivamente nei polmoni per gli
scambi gassosi, mentre i restanti
aerobica e anaerobica produce un aumento dell’attività enzimatica che migliora
150ml di aria ( 30% = ventilazione
ulteriormente il rendimento del sistema respiratorio. Nei soggetti allenati sono
dello spazio morto) non saranno
meno evidenti i fenomeni di disturbo che condizionano la respirazione, come il utilizzati. Durante il carico fisico,
quando il VC aumenta anche a 3000
“dolore al fianco” e il cosiddetto “punto morto”.
ml, la percentuale della ventilazione
Il dolore al fianco (più spesso il fianco destro) è provocato da una carenza di
dello spazio morto scende a 5% con
rifornimento di ossigeno al diaframma, per scarso adattamento al carico fisico.
grande vantaggio per la prestazione.
Il punto morto è anch’esso determinato da scarso adattamento al carico fisico,
con insufficiente rifornimento di ossigeno ai muscoli interessati dal carico e si manifesta con una crisi funzionale
che interviene in un tempo molto variabile dall’inizio del carico (da mezzo minuto a sei minuti). Si avverte
grande pesantezza muscolare, un notevole affanno, un senso di debolezza e il desiderio di interrompere lo
sforzo. Per evitare questi due fenomeni di disturbo è raccomandabile un adeguato riscaldamento specifico. A
proposito dei volumi respiratori, il soggetto allenato possiede una Capacità Vitale (CV) maggiore del sedentario.
A causa della crescente rigidità della gabbia toracica e della minore elasticità dei polmoni, con l’età il valore della
CV tende a diminuire (a 60 anni è circa la metà del valore in età giovanile), ma nel soggetto anziano allenato
diminuisce meno di quanto non avvenga in persone non allenate di pari età (5).
Prof. Danilo Diana (agosto 2016)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Bibliografia
Compendio di fisiologia umana. L.L.Langley. Ed. Vallardi 1981. Pag. 403.
Ibidem pag. 393.
Biologia dello sport. J.Weineck. Calzetti Mariucci 2013. Pag. 200.
Ibidem pag. 833.
Ibidem pag. 205.
Ibidem pag. 203.
Ibidem pag. 204.
Ibidem pag. 214.
Ibidem pag. 310.
Ibidem pag. 502.
Ibidem pag. 462.
Ibidem pag. 305.
Ibidem pag. 215.
Ibidem pag. 211.
Ibidem pag. 207.
5
MAPPA RIASSUNTIVA DEGLI ARGOMENTI
Respirazione esterna o
Polmonare
Aria
atmosferica
Naso e
fosse nasali
Naso e
fosse nasali
Faringe
Faringe
Vie aeree superiori
LAVORO
RESPIRATORIO
Laringe
Spazio morto
Trachea
RESPIRAZIONE
COMPRESSIVA
Laringe
Trachea
Vie aeree inferiori
ADATTAMENTI
RESPIRATORI
ALL’ATTIVITÁ
FISICA
Bronchi
Polmoni
Bronchi
Polmoni
Sangue
Sangue
Cellule
Respirazione interna
o Cellulare
6