Il sistema
respiratorio
Pre- requisiti
• Diffusione, pressione parziale, legge di Boyle
Obiettivi cognitivi
• Diversi significati della parola respirazione
• l’anatomia del sistema respiratorio
• ventilazione polmonare
• meccanica respiratoria
• controllo nervoso della respirazione
• trasporto e scambio gassoso
• anatomia comparata del respiratorio
Prerequisiti
• l’aria è una miscela di gas e la pressione in
questo caso è data dalla somma delle pressioni
parziali esercitate dai singoli gas che la
compongono
• A livello del mare, l’aria circostante esercita
una pressione di 1 atmosfera, ossia 1 Kg per
cm2, che corrisponde a una colonna d’acqua
alta 10 metri o a una colonna di mercurio altra
760 mm
• la pressione di ogni gas è proporzionale alla
sua concentrazione nella miscela
• durante la diffusione ciascun gas tende a
spostarsi da una regione con pressione
parziale maggiore a una minore
Lo scambio di gas avviene per diffusione
... a livello di alveoli polmonari, lo scambio di ossigeno e
diossido di carbonio avviene tra l’aria e il sangue
... all’interno dell’organismo, lo scambio di gas avviene sia tra
sangue e liquido extracellulare dei tessuti che tra liquido
extracellulare dei tessuti e cellule
La parola respirazione puo’ avere tre significati
L’assunzione dell’ossigeno e l’eliminazione di anidride
carbonica per mezzo di apparati e organi diversi (e.g. polmoni
e branchie) da parte di un organismo vivente
Lo scambio gassoso che avviene a livello dei sui tessuti
Il processo chimico della respirazione cellulare (i.e. glicolisi,
ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa)
Anatomia sistema respiratorio
Porzione di conduzione: ha la funzione prevalente di
trasportare l’aria, comprende naso, faringe, laringe, trachea,
bronchi, bronchioli e bronchioli terminali.
Porzione polmonare: che comprende gli alveoli, strutture
dove avviene lo scambio di gas con il sangue.
Vie aeree superiori: naso e faringe.
Vie aeree inferiori: laringe, trachea, bronchi e polmoni.
L’aria può entrare dalla bocca e dalle cavità nasali che la
riscaldano e trattengono le impurità, passa quindi dalla faringe.
Il naso è l’entrata preferenziale a
riposo, è formato all’esterno da
cartilagine.
La cavità nasale è divisa in due dal
setto nasale, formando le due narici,
sono presenti 3 conche (superiore,
media e inferiore) costituite da
ripiegamenti che aumentano la
superficie a contatto con l’aria.
Le impurità vengono trattenute nel
muco, l’aria viene riscaldata.
Nel naso ci sono le cellule calciformi che producono muco
che trattiene le particelle di polvere e rende l’aria in entrata
umida.
Le ciglia muovono il muco verso la faringe, la sua deglutizione
è un meccanismo di difesa contro i microrganismi esterni.
Fumo e sbalzi di temperatura paralizzano le ciglia.
Le cellule olfattive trasmettono al cervello informazioni sugli
odori, i condotti naso-lacrimali raccolgono le lacrime, i seni
paranasali umidificano e riscaldano l’aria.
La faringe è un organo muscolare che comunica sia con il
sistema respiratorio, sia digerente.
Nella faringe sono presenti le tonsille, ghiandole del sistema
immunitario e lo sbocco dell’orecchio mediante le trombe di
Eustachio. Quando la pressione cambia, attraverso
deglutizione e sbadigli si aumenta la pressione faringea e
quindi quella dell’orecchio.
Dalla faringe partono due canali: trachea ed esofago. La
faringe si trova in continuità con la laringe.
La laringe si trova davanti all’esofago e prima della trachea.
Glottide: sito della fonazione contiene le corde vocali.
Corde vocali: lamine di tessuto elastico che vibrando al
passaggio dell’aria producono suoni di diversa intensità.
È formata da otto cartilagini rigide, quella tiroidea protegge
la parte anteriore della ghiandola, e da una elastica detta
epiglottide, che si chiude al passaggio di cibo.
Pomo d’Adamo: sporgenza che si muove verso l’alto durante
la deglutizione, visibile nei maschi; è formato da cartilagine
tiroidea e strato adiposo.
Dalla laringe l’aria passa nella trachea.
Pareti rinforzate da anelli cartilaginei a forma di C: su un lato
l’anello a contatto con l’esofago si interrompe e rimane solo
una membrana muscolare.
La trachea si interrompe a livello della quinta vertebra
toracica, dove si origina il bronco principale sinistro e destro.
La trachea si divide in due bronchi principali che si dividono
in ramificazioni più piccole, i bronchioli.
Bronchi e bronchioli sono circondati da un sottile strato
muscolare liscio e i bronchi sono sostenuti da anelli
incompleti di cartilagine.
Al diminuire del diametro dei bronchi, la cartilagine viene
sostituita da limine, fino a scomparire, mentre aumenta la
muscolatura liscia.
Contrazione e rilassamento regolano a resistenza al flusso
d’aria, l’istamina fa contrarre la muscolatura liscia con
broncocostrizione.
Trachea, bronchi e bronchioli
sono rivestiti da cellule
epiteliali con cellule ciliate e
secernenti muco.
Il muco trattiene le particelle
estranee, le ciglia spingono il
muco verso la faringe e la
tosse ha lo scopo di rimuovere
il muco in eccesso.
I polmoni sono organi spugnosi a forma di cono che
occupano gran parte della cavità toracica.
La pleura è una membrana sierosa che avvolge i polmoni ed
è formata da due foglietti:
parietale che riveste la cavità toracica;
viscerale che aderisce alla superficie del polmone;
Tra i due strati si trova un liquido che permette lo
scorrimento reciproco.
Quando la pleura è integra la pressione intratoracica è
minore di quella atmosferica e i polmoni restano gonfi.
Se per un trauma entra aria nella pleura, i polmoni collassano
e non si riesce più a inspirare: pneumotorace.
Scissura cardiaca: si trova sul polmone sinistro ed è dovuta
alla presenza del cuore.
La scissura divide il polmone sinistro in due lobi, inferiore e
superiore, ciascuno ospita un bronco secondario. Il polmone
destro è più grande, presenta due scissure ed è suddiviso in
tre lobi: superiore, intermedio e inferiore.
Ogni lobo si suddivide in strutture che hanno in comune un
bronco terziario che si divide in bronchioli e quindi in
bronchioli terminali. 5-7 bronchioli terminali determinano un
lobulo polmonare, insieme ad arteriole, venule e vasi linfatici.
Gli alveoli sono piccoli sacchi di aria alle estremità dei
bronchioli più piccoli, l’insieme degli alveoli costituisce i
polmoni.
Sono formati da epitelio squamoso semplice, cellule
ghiandolari che producono il liquido alveolare e cellule che
catturano parti estranee.
Nel liquido è presente il surfactante, un insieme di fosfolipidi e
lipoproteine che impedisce il collasso degli alveoli durante
l’espirazione.
Ci sono 300 milioni di alveoli per una superficie respiratoria
di 70 metri quadri. I pori alveolari garantiscono la
comunicazione con gli alveoli adiacenti.
Sono circondati da capillari sanguigni e la parete che li
separa è sottile.
Lo scambio dei gas tra aria e sangue avviene per diffusione.
Ventilazione polmonare
• La ventilazione polmonare è la quantità d’aria che esce ed
entra nei polmoni in un minuto
• normalmente inspiriamo un volume d’aria di circa 500 ml
• A ogni respiro solo il 10% dell’aria viene scambiata, ma con
una respirazione volontaria profonda si può raggiungere
anche l’80%
La meccanica respiratoria
Eupnea: successione di inspirazione ed espirazione eseguita in
situazioni normali (il respiro fisiologico).
Tosse: inspirazione lunga e profonda seguita da violenta
espirazione.
Starnuto: spasmo molto forte dei muscoli espiratori che
produce espulsione di aria e saliva dal naso e dalla bocca.
Singhiozzo: spasmo (contrazione) del diaframma e della
faringe, dovuto a irritazione delle mucose.
Risata e pianto: inspirazione a cui seguono brevi e ritmiche
espirazioni.
Sbadiglio: inspirazione profonda e prolungata con apertura
della mandibola.
Il controllo della respirazione
I centri respiratori del sistema nervoso centrale:
velocità e profondità del respiro;
espirazione e inspirazione a riposo;
respirazione forzata volontaria;
frequenza della respirazione;
prolungamento dell’inspirazione;
la respirazione è ritmica e autonoma, ma può essere
controllata volontariamente attraverso la contrazione del
diaframma e dei muscoli del torace.
I chemiorecettori centrali rilevano il pH nel liquido cefalo-rachidiano
(il liquido cerebrospinale tra aracnoide e pia madre).
I chemiorecettori periferici si trovano a livello di arco aortico e delle
arterie carotidi sono sensibili alla concentrazione di ossigeno nel
sangue.
Trasporto e scambio dei gas
L’ossigeno è poco solubile nel
plasma sanguigno e per
trasportarlo sono necessarie
delle molecole proteiche note
come pigmenti respiratori.
Nei vertebrati tale pigmento è
l’emoglobina.
L’ emoglobina permette alla
nostra corrente sanguigna di
trasportare 65 volte la
quantita’ di ossigeno
trasportabile dallo stesso
volume di plasma
L’emoglobina è costituita da 4 subunità ciascuna delle quali
comprende un’unità eme e una catena polipeptidica. È un
pigmento rosso che diventa più brillante se legato a ossigeno.
Unità eme: complessa struttura ad anello contenente azoto, al
centro della quale troviamo un atomo di ferro.
Ogni unità eme si combina con una molecola di ossigeno, perciò
una molecola di emoglobina lega 4 molecole di ossigeno.
Nei globuli rossi sono ammassate fino a 265 milioni di molecole
di emoglobina.
Il legame ossigeno-emoglobina avviene in base al valore
della pressione parziale di ossigeno.
Nei capillari alveolari la pressione parziale dell’ossigeno è
alta (160 mmHg nell’aria) e quindi si combina con
l’emoglobina.
Al diminuire della pressione parziale dell’ossigeno, questo si
separa dall’emoglobina.
Nei tessuti a seguito delle attività metaboliche la pressione
parziale è pari a 40 mmHg.
Il monossido di carbonio CO:
è un gas inodore e incolore;
si trova nei gas di scarico, nei fumi degli impianti di
riscaldamento e in quelli delle sigarette;
se inspirato si lega all’emoglobina 200 volte più saldamente
dell’ossigeno in modo stabile, causando ipossia (carenza di
ossigeno);
servono dai 40 agli 80 minuti per dimezzare la quantità di
monossido nel circolo sanguigno di una persona intossicata.
Scambio di diossido di carbonio: il CO2 è più solubile
dell’ossigeno. Si trova per il 7% disciolto nel plasma, il 23% si
trova legato all’emoglobina e il 70% si lega con acqua per
formare acido carbonico.
Anidrasi carbonica, enzima nei globuli rossi che catalizza la
reazione del diossido di carbonio con acqua.
Nei tessuti dove la pressione parziale è alta si formano ione
bicarbonato e ione idrogeno.
Nei polmoni dove la pressione parziale di diossido è bassa,
l’acido carbonico si dissocia per formare diossido di carbonio e
acqua. Una volta liberato, il CO2 diffonde dal plasma verso gli
alveoli ed esce dai polmoni.
Particolarita’ di anfibi (integrazione pelle), cheloni (integrazione da mucosa
orale e anale) e Sarcopterigi, pesci con polmoni
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