polmone

Il sistema respiratorio e gli scambi
gassosi
I meccanismi alla base degli scambi
gassosi
• 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.
• In alcuni animali, come per esempio i platelminti o il
lombrico, gli scambi gassosi avvengono a livello di tutta la
superficie del corpo.
Piano della sezione
Sezione
trasversal
e della
superficie
respirato
ria (la
pelle che
ricopre il
corpo)
CO2
O2
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
O2
Superficie corporea
CO2
CO2
O2
Superficie respiratoria (all’interno del polmone)
O2
Capillari
classe : Sarcopterigi
Holoptychius
ordine : Dipnoi
• I dipnoi, conosciuti anche come pesci
polmonati sono un ordine di pesci ossei della
classe Sarcopterigi, almeno 400 milioni di anni
fa.
• Importante caratteristica dei dipnoi è la
presenza di un primitivo polmone, evoluzione
della vescica natatoria, che consente loro di
incamerare ossigeno direttamente dall'aria in
alternativa alla normale respirazione con le
branchie.
Neoceratodus forsteri
• 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).
• 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.
– 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.
• Negli vertebrati lo scambio dei gas avviene in tre fasi
• Le tre fasi dello scambio gassoso:
O2
CO2
1
Respirazione polmonare
Polmone
Sistema circolatorio
2
Trasporto di gas
tramite il sistema circolatorio
Mitocondri
3
Scambi gassosi
O2
CO2
tra sangue
Capillari
e tessuti
Cellula
L’apparato respiratorio
L’apparato respiratorio
fornisce ossigeno, elimina
diossido di carbonio, e
comprende:
• le vie respiratorie
superiori (naso e faringe);
• le vie respiratorie inferiori
(laringe, trachea, bronchi,
bronchioli e polmoni).
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cuore e polmoni
Polmone sinistro
Una struttura ramificata
La trachea si ramifica in due
bronchi, ognuno dei quali
porta a un polmone.
I bronchi si ramificano
ciascuno in cinque bronchi
lobari e poi fino a formare i
bronchioli.
Le ramificazioni più fini dei
bronchioli terminano in
grappoli di alveoli che danno
forma e consistenza ai
polmoni.
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Polmoni
Laringe (anteriore)
Laringe (cartilagine)
Laringe - Trachea
Il movimento delle corde vocali è spiegato da un
particolare effetto, chiamato effetto Venturi,
derivato dal teorema di Bernoulli.
Laringe – Trachea- Bronchi - Bronchioli
epitelio pseudostratificato ciliato
epitelio pseudostratificato ciliato
Bronchioli - Alveoli
Sangue
ricco
di ossigeno
Sangue povero
di ossigeno
Bronchiolo
Alveoli
Capillari
sanguigni
Alveoli
Alveoli
Lo scambio dei gas: L’ossigenazione del sangue e il rilascio
di CO2 avvengono per diffusione nei capillari degli alveoli
polmonari.
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Epitelio squamoso semplice (alveoli polmonari)
• Scambio e trasporto dei gas nel corpo:
Aria espirata
Aria inspirata
Cellule
epiteliali
degli alveoli
Spazi alveolari
CO2
O2
Capillari alveolari
del polmone
Sangue ricco di O2
e povero di CO2
Sangue povero
di CO2
e ricco di O2
Cuore
Capillari tessutali
CO2
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.
Pleure
I polmoni sono organi elastici
divisi in lobi, ogni polmone è
rivestito esternamente da una
doppia membrana detta
pleura:
• la pleura viscerale
aderisce alla parete esterna
del polmone;
• la pleura parietale alla
parete toracica.
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pleure
polmoni (pleure)
La meccanica della respirazione
La ventilazione polmonare è causata dall’azione dei
muscoli respiratori: il diaframma e i muscoli intercostali,
e comprende due fasi (inspirazione ed espirazione).
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Ventilazione polmonare
– 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.
Inspirazione ed espirazione
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capacità polmonare
– Il massimo volume di aria che possiamo
forzatamente inspirare ed espirare è chiamato
capacità vitale (in media 4 litri).
– I polmoni contengono più aria rispetto alla capacità
vitale: nei polmoni rimane sempre un volume
residuo di aria che impedisce agli alveoli di
collassare (in media un litro).
– La capacità polmonare, ovvero il volume massimo di
aria che può essere contenuto dai polmoni, è dato
dalla somma della capacità vitale e del volume
residuo.
Le secrezioni del tratto respiratorio
I polmoni producono due tipi di secrezioni che influenzano la
ventilazione:
• il muco viscoso presente nelle vie aeree superiori
intrappola particelle, detriti e microrganismi inalati con l’aria;
• il surfactante polmonare riduce la tensione superficiale
nel fluido che riveste gli alveoli facilitando l’ingresso di aria.
I bambini nati pretermine, le cui cellule polmonari non hanno
ancora sviluppato la capacità di produrre surfactante,
possono sviluppare la sindrome da distress respiratorio
(ARDS).
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Il controllo della ventilazione
La ventilazione dipende
dal sistema nervoso
centrale che regola la
contrazione dei muscoli
intercostali e del
diaframma.
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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
Diaframma
Muscoli intercostali
Lo scambio polmonare dei gas
Gli scambi di gas respiratori avviene nei polmoni per
diffusione attraverso l’endotelio che riveste i vasi sanguigni,
grazie all’emoglobina dei globuli rossi.
In base alle differenze di pressione parziale di CO2 e O2:
• negli alveoli polmonari il sangue si arricchisce di O2
e rilascia CO2;
• nei capillari sistemici il sangue ossigenato rilascia O2
e si arricchisce di CO2.
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emoglobina
Emoglobina adulta e fetale
L’emoglobina fetale ha
maggiore affinità per
l’ossigeno di quella adulta,
questo facilita il
trasferimento di O2 dalla
madre al feto a livello della
placenta.
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•
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
Patologie del sistema respiratorio:
Infezioni acute
Patologie croniche
Infezioni acute
– Le infezioni acute delle vie respiratorie sono
patologie molto frequenti.
– Si tratta di malattie causate da microorganismi
(virus, batteri, funghi). Possono presentare un
andamento stagionale.
• Laringite, Tracheite, Bronchite, Polmonite,
Pleurite.
Polmonite
Streptococcus pneumoniae
penicillina
Penicillium notatum
Alexander Fleming 1928
Virus dell’influenza
Virus dell’influenza
• Virus a RNA della
famiglia degli
Orthomyxoviridae
• Sferici (poliedrici)
• Rivestiti
• Dimensioni di 80-100
nm (filtrabili)
• Virus mutagene
• Virus fragile
Descrizione dei virus influenzali
Tipo A provocano epidemie ogni 2-3 anni.
Pandemie ogni 10-40 anni
Tipo B ogni 4- 6 anni.
Tipo C dà epidemie locali.
A e C infettano diverse specie, mentre B quasi esclusivamente l’uomo.
Glicoproteine
I virus tipo A e B presentano in superficie due
glicoproteine che ne specificano il sottotipo
• EMOAGGLUTININA
(H)
• NEUROAMINIDASI
(N)
Virus A
Si differenziano in diversi sottotipi:
Da H1 a H16
Da N1 a N9
Tutti i sottotipi sono stati ritrovati nelle SPECIE AVIARIE,
serbatoi naturali del virus A
ricombinazione genica
Epidemie e Pandemie
Un‘EPIDEMIA di un malattia si verifica quando la frequenza
della malattia aumenta.
Una PANDEMIA è un'epidemia a livello mondiale data dalla
comparsa di un virus nuovo riassortito, trasmissibile nella
popolazione umana.
Known flu pandemics
Name of pandemic
Asiatic (Russian)
Flu
Date
1889–1890
1918 flu pandemic
1918–1920
(Spanish flu)
Asian Flu
1957–1958
Hong Kong Flu
1968–1969
2009 flu pandemic
2009–2010
(swine)
Deaths
Case fatality rate
1 million
0.15%
20 to 100 million
2%
1 to 1.5 million
0.75 to 1 million
0.13%
<0.1%
18,000
0.03%
influenza: aspetti clinici
• Malattia respiratoria acuta in forma epidemica
• Tramissione attraverso le goccioline emesse con colpi
di tosse, starnuti o con il semplice parlare. Contatti
personali diretti, secrezioni.
• Incubazione 1-3 giorni.
• Sintomi: inizio improvviso con
febbre,spossatezza,cefalea, dolori muscolari, tosse
secca. Raramente rinite e faringite, talora diarrea.
• Durata: febbre 2-4 giorni, spossatezza 7-10 giorni.
• Complicanze: Polmonite virale o batterica,
specialmente in anziani con malattie croniche
debilitanti.
malattie croniche
• Bronchite
• Asma bronchiale
• Le affezioni croniche del sistema respiratorio sono
legate soprattutto a fattori irritanti: fumo di sigaretta,
inquinamento atmosferico.
Bronchite cronica
• La bronchite cronica è una
malattia molto comune,
causata dalla produzione
eccessiva di muco nelle vie
respiratorie accompagnata da
continua tosse. La bronchite
può degenerare
nell’enfisema polmonare con
distruzione di parte degli
alveoli.
Asma bronchiale
E’ un disturbo di tipo infiammatorio caratterizzato da
broncocostrizione (temporanea) e conseguente resistenza al
flusso d’aria nelle vie aeree polmonari in seguito ad uno stimolo.
L'asma provoca mancanza o difficoltà di respiro, tosse,
respiro sibilante, senso di oppressione al torace.
Caratteristiche dell’asma bronchiale sono, oltre la
broncocostrizione, l’ipersecrezione di muco, e l’edema
(accumulo di liquidi) della mucosa.
Asma bronchiale
La crisi asmatica può essere scatenata da diversi fattori: il freddo, gli
sforzi fisici, il respirare gas secchi, lo stress emotivo, gli allergeni,
l'inquinamento ambientale e recenti infezioni virali delle vie
respiratorie.
I farmaci antistaminici agiscono su recettori specifici dell'istamina,
inibendo la sua attività allergenica.
Fumo di sigaretta
Polmoni non fumatore
Polmoni fumatore
Il fumo uccide in Italia 80.000 persone l’anno
• Vengono colpiti prevalentemente da Tumori
polmonari (il tumore con il maggior tasso di
incidenza e di mortalità nel mondo) soggetti di
età superiore a 50 anni che abbiano fatto uso
di tabacco.
• Il fumo di sigaretta contiene circa 60 sostanze
mutagene cancerogene certe (inclusi il radon,
il benzopirene, alcune nitrosamine e la
nicotina)
• 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
Polmoni sani (sinistra) e polmoni colpiti da cancro (destra).