Capitolo 17

Capitolo 17
La respirazione e gli scambi
gassosi
Copyright © 2006 Zanichelli editore
I meccanismi alla base degli scambi gassosi
17.1 Gli animali scambiano O2 e CO2 attraverso
superfici corporee umide
• Negli animali, l’O2 (ossigeno) diffonde all’interno
del corpo e il CO2 (diossido di carbonio o anidride
carbonica) viene liberato nell’ambiente circostante
attraverso una superficie respiratoria.
• La superficie respiratoria è costituita da cellule vive
le cui membrane cellulari devono essere bagnate
per poter svolgere la loro funzione.
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In alcuni animali, come per esempio il lombrico, gli
scambi gassosi avvengono a livello di tutta la superficie
del corpo.
Piano della sezione
Sezione
trasversale
della
superficie
respiratoria
(la pelle
che
ricopre il
corpo)
CO2
O2
Figura 17.1A
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Capillari
Nella maggior parte degli animali alcune parti del corpo
si sono trasformate (specializzate) in superfici
respiratorie.
Superficie corporea
Superficie
respiratoria (trachee)
Cellule del corpo
(le trachee non sono
a contatto cono i capillari)
Superficie corporea
Superficie respiratoria
(branchia)
CO2
O2
CO2
Capillari
Figura 17.1C
O2
Superficie corporea
Figura 17.1B
CO2
CO2
Figura 17.1D
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O2
Superficie respiratoria (all’interno del polmone)
O2
Capillari
17.2 Le trachee degli insetti garantiscono uno
scambio gassoso diretto tra l’aria e le cellule del
corpo
• Negli animali terrestri gli scambi gassosi avvengono
attraverso l’aria che viene respirata.
• Ciò comporta due grossi vantaggi:
–
l’aria ha una concentrazione di O2 molto elevata
–
è molto leggera e facile da spostare.
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Gli insetti hanno un vasto sistema di tubi interni chiamati
trachee con molteplici ramificazioni più strette, dette
tracheole, che trasportano l’O2 direttamente alle cellule
del corpo.
Sacche aeree
Trachee
LM 250×
Stigma
Cellula
del
corpo
Sacca
aerea
Tracheola
Figura 17.2
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O2
Trachea
CO2 Rivestimento esterno del corpo
17.3 Negli animali vertebrati lo scambio dei gas
avviene in tre fasi
Le tre fasi dello scambio gassoso:
O2
CO2
1
Respirazione
Polmone
Sistema circolatorio
2
Trasporto di gas
tramite il sistema circolatorio
Mitocondri
3
Scambi gassosi
O2
CO2
tra sangue
Capillari
e tessuti
Cellula
Figura 17.3
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• Lo scambio di gas fornisce O2 per la respirazione
cellulare e rimuove il suo principale prodotto di
rifiuto, il CO2.
• Grazie all’O2, tutte le cellule del corpo possono
ottenere energia dalle molecole degli alimenti che
l’organismo ha digerito e assorbito.
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17.4 Le branchie sono organi specializzati per gli
scambi gassosi nell’ambiente acquatico
• Le branchie sono estensioni, o ripiegamenti
esterni, della superficie corporea che assorbono
l’O2 disciolto nell’acqua.
• L’area della superficie respiratoria delle branchie
dei pesci è molto più estesa rispetto al resto della
superficie del corpo.
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In un pesce lo scambio dei gas è intensificato dalla
ventilazione e dallo scambio controcorrente tra
sangue e acqua che fluiscono l’uno in senso opposto
all’altra.
Arco branchiale
Direzione
del flusso
dell’acqua
Sangue povero
di ossigeno
Lamella
Sangue ricco
di ossigeno
Figura 17.4
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60
%
15%
40%
30% 5%
80%
Vasi
sanguigni
10
0%
70
%
Arco
branchiale
% di O2 nell’acqua
che fluisce sopra
le lamelle
% di O2 nel sangue che fluisce
attraverso i capillari all’interno
Filamenti
delle lamelle
branchiali
Scambio controcorrente
17.5 Nei vertebrati terrestri si evolvono polmoni
sempre più complessi ed efficienti
• I rettili, gli uccelli, i mammiferi e molti anfibi
utilizzano i polmoni per effettuare gli scambi
gassosi.
• I polmoni occupano una zona limitata del corpo
dell’animale e sono collegati a un sistema
circolatorio che trasporta i gas al resto del corpo.
• Le dimensioni e la complessità dei polmoni sono
correlate alla velocità del metabolismo dell’animale
(quindi al suo fabbisogno di ossigeno).
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Il sistema respiratorio umano
17.6 Il sistema respiratorio umano è costituito dalle
vie respiratorie e dai polmoni
Nel sistema respiratorio umano l’aria è inalata
attraverso le narici, passa attraverso la faringe e la
laringe nella trachea, nei bronchi e nei bronchioli.
Cavità nasale
Faringe
(Esofago)
Laringe
Polmone sinistro
Trachea
Polmone destro
Bronco
Bronchiolo
Figura 17.6A
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Diaframma
(Cuore)
• I bronchioli terminano in sacche aeree, dette alveoli,
riunite in grappoli.
• Ogni alveolo è costituito da un sottile strato di cellule
epiteliali attraverso cui avvengono gli scambi gassosi.
Sangue
ricco
di ossigeno
Sangue povero
di ossigeno
Alveoli
Capillari
sanguigni
Figura 17.6B, C
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Colonizzato SEM 6200×
Bronchiolo
17.7 Come avviene la ventilazione polmonare
• La respirazione polmonare è l’alternarsi di
inspirazioni ed espirazioni.
• Grazie alla ventilazione dei nostri polmoni, sulla
superficie di scambio dei gas respiratori viene
mantenuta alta la concentrazione di O2 e bassa la
concentrazione di CO2.
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Respirazione a pressione negativa: la contrazione dei
muscoli intercostali e del diaframma fa aumentare il
volume della cavità toracica e riduce la pressione
dell’aria negli alveoli.
La cassa toracica
si espande quando
i muscoli intercostali
si contraggono
La cassa toracica
si contrae quando
Aria
i muscoli intercostali
inspirata si rilassano
Aria espirata
Polmone
Diaframma
Figura 17.7A
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Il diaframma si contrae (si abbassa)
Il diaframma si rilassa (si alza)
Inspirazione
Espirazione
• Il massimo volume di aria che possiamo inspirare
ed espirare è chiamato capacità vitale.
• I polmoni contengono più aria rispetto alla capacità
vitale: nei polmoni rimane sempre un volume
residuo di aria che impedisce agli alveoli di
collassare.
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Nel sistema respiratorio degli uccelli l’aria scorre in una
sola direzione.
Sacche aeree anteriori
Sacche aeree
posteriori
Aria
Aria
Trachea
Polmoni
Tubi dove
passa
l’aria
Inspirazione:
Espirazione:
sacche aeree
piene d’aria
Sacche aeree vuote;
polmoni pieni d’aria
Figura 17.7B
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1 mm
17.8 Il controllo della respirazione è involontario
I centri di controllo della respirazione, situati nell’encefalo,
regolano il ritmo respiratorio in base alle esigenze
dell’organismo e monitorando la concentrazione di CO2 nel
sangue.
Cervello
Liquido cerebrospinale
Ponte
Midollo
allungato
Segnali nervosi
che inducono
la contrazione
dei muscoli
Centri di controllo
della respirazione
stimolati da:
Aumento di CO2 =
diminuzione del pH nel sangue
Segnale nervoso che rileva i livelli di CO2 e O2
Sensore per CO2 e O2
nell’aorta
Figura 17.8
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Diaframma
Muscoli intercostali
• Il principale segnale che indica un aumento della
concentrazione di CO2 nel sangue è rappresentato
da lievi cambiamenti nel pH del sangue e del
liquido che bagna l’encefalo.
• Quando nel sangue aumenta la concentrazione di
CO2, il pH diminuisce e aumentano il numero e la
profondità degli atti respiratori.
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17.9 Gli scambi gassosi tra sangue e tessuti
seguono un gradiente di pressione
• Una parte del cuore pompa sangue povero di
ossigeno ai polmoni dove lega O2 e libera CO2.
• Una parte del cuore pompa il sangue ricco di
ossigeno alle cellule del corpo dove libera O2 e
lega CO2.
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Scambio e trasporto dei gas nel corpo:
Aria espirata
Cellule
epiteliali
degli alveoli
Aria inspirata
Spazi alveolari
CO2
2
CO
O2
O
2
Capillari alveolari
del polmone
Sangue ricco di O2
e povero di CO2
Sangue povero
di CO2
e ricco di O2
Cuore
2
CO2
Figura 17.9
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2
Capillari tessutali
O
CO
Liquido O
interstiziale 2
Cellule tessutali di tutto il corpo
• Lo scambio dei gas tra i capillari e le cellule
circostanti avviene per diffusione, secondo un
gradiente di pressione.
• Ciascuno dei gas presenti in una miscela è
responsabile di una parte, detta pressione
parziale, della pressione totale della miscela.
• Un gas diffonde da una regione con pressione
parziale maggiore a una con pressione parziale
minore.
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17.10 L’emoglobina contribuisce al trasporto di O2 e
CO2 e a regolare il pH del sangue
L’emoglobina trasporta l’ossigeno (legandolo o
rilasciandolo, a seconda della situazione), contribuisce
al trasporto del diossido di carbonio nel sangue e regola
il pH ematico, impedendone bruschi cambiamenti.
Atomo di ferro
Ossigeno prelevato
nei polmoni
Ossigeno liberato
nei tessuti
Gruppo eme
Figura 17.10
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Catena polipeptidica
• La maggior parte del CO2 nel sangue è trasportato
nel plasma come ione bicarbonato.
• Il CO2 reagisce con l’acqua formando acido
carbonico (H2CO3).
• Le molecole di H2CO3 si dissociano in ioni
idrogeno e ioni bicarbonato.
CO2
diossido
di carbonio
+
H2O
acqua
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H2CO3
acido
carbonico
H+
ione
idrogeno
+
HCO3–
ione
bicarbonato
COLLEGAMENTI
17.11 Gli scambi gassosi nel feto avvengono
attraverso la circolazione materna
Un feto umano scambia gas con il sangue materno
attraverso la placenta.
Placenta, contenente
vasi sanguigni materni
e capillari del feto
Cordone ombelicale,
contenente vasi sanguigni
del feto
Liquido amniotico
Utero
Figura 17.11
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• La molecola che trasporta l’ossigeno dal sangue
materno al feto prende il nome di emoglobina
fetale.
• Alla nascita, l’aumento di CO2 nel sangue del
bambino causa una drastica caduta del pH che
stimola i centri di controllo della respirazione.
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COLLEGAMENTI
17.12 Alcune patologie del sistema respiratorio
• Le infezioni acute delle vie respiratorie sono
patologie molto frequenti.
• Si tratta di malattie virali o batteriche, ad
andamento stagionale.
• Le affezioni croniche del sistema respiratorio
sono legate soprattutto a fattori irritanti: fumo di
sigaretta, inquinamento atmosferico.
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Il fumo irrita le cellule che rivestono i bronchi, inibisce i
movimenti delle ciglia e distrugge i macrofagi (speciali
globuli bianchi che inglobano particelle e microrganismi).
Polmone
Cuore
Figura 17.12 – Polmoni sani (sinistra) e polmoni colpiti da cancro (destra).
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