1
H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores
Invito alla
biologia.blu
C – Il corpo umano
2
Il sistema
respiratorio
3
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio
In biologia respirazione ha due significati:
1.a livello cellulare indica le reazioni chimiche che avvengono
nei mitocondri, richiedono ossigeno e sono fonte di energia;
1.a livello di organismo indica il processo con il quale si
assume ossigeno e si elimina diossido di carbonio da e verso
l’esterno.
4
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio
Il metabolismo basale è il consumo di energia minimo in
condizioni di riposo ed è direttamente proporzionale al
consumo di ossigeno.
I tassi metabolici aumentano con l’attività fisica: chi svolge
un esercizio fisico necessita di una quantità di glucosio 15-20
volte superiore a chi si trova a riposo e di conseguenza ha
anche bisogno di più ossigeno.
5
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio
La ventilazione polmonare (entrata e uscita di aria dal sistema
respiratorio) è suddivisa in respirazione esterna e interna.
Lo scambio di gas avviene per diffusione.
La respirazione esterna avviene a livello di alveoli polmonari
con lo scambio di ossigeno e diossido di carbonio tra l’aria che
entra e il sangue.
La respirazione interna avviene a livello cellulare e riguarda lo
scambio di gas tra sangue e liquido extracellulare dei tessuti.
6
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio
La pressione atmosferica viene misurata
attraverso un barometro: un tubo di vetro
con mercurio, chiuso da un lato e
capovolto in una bacinella con mercurio.
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.
7
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio
Pressione di una miscela di gas:
•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;
•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.
8
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
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.
9
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
L’aria può entrare dalla bocca e dalle cavità nasali che la
riscaldano e trattengono le impurità, passa quindi dalla faringe.
10
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
11
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
12
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
13
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
14
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
15
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
16
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
17
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
I polmoni sono organi spugnosi a forma di cono che
occupano gran parte della cavità toracica.
18
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
19
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
20
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
21
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
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.
22
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio
Alveoli
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.
23
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria
Volumi respiratori:
•normalmente respiriamo un volume d’aria di circa 500 ml;
•quando inspiriamo in maniera forzata introduciamo circa
2000-3000 ml di aria, detto volume di riserva inspiratorio;
•il volume di riserva espiratorio è invece pari a 1200 ml;
•la capacità vitale dell’organismo è la somma del volume
corrente più i due volumi di riserva, può raggiungere anche i
5000 ml in un uomo giovane e sano;
•il volume residuo è la quantità di aria che rimane
all’interno anche dopo l’espirazione forzata (1200 ml).
24
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria
Lo spirometro permette di misurare i valori volumetrici di
aria. Possono essere misurati tutti i volumi polmonari, tranne
quello residuo.
La ventilazione polmonare è la quantità d’aria che esce ed
entra nei polmoni in un minuto: questa misura varia a
seconda di sesso, età e attività fisica.
25
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria
La sequenza del ciclo respiratorio:
•inspirazione - quando la pressione alveolare è inferiore a
quella atmosferica;
•espirazione - quando la pressione alveolare è superiore a
quella atmosferica.
La pressione nei polmoni varia grazie a contrazione e
rilassamento del diaframma e dei muscoli intercostali
esterni. A ogni respiro solo il 10% dell’aria viene scambiata,
ma con una respirazione volontaria profonda si può
raggiungere anche l’80%.
26
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria
27
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria
28
La meccanica respiratoria
Eupnea: successione di inspirazione ed espirazione eseguita in
situazioni normali.
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 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.
29
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
L’ossigeno è insolubile nel
plasma sanguigno e per
trasportarlo sono necessarie
delle molecole proteiche note
come pigmenti respiratori.
Nei vertebrati tale pigmento è
l’emoglobina.
30
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
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.
31
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
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.
32
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
Il monossido di carbonio:
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.
33
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
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.
34
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas
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. Anidrasi carbonica, enzima nei globuli
rossi che catalizza la reazione del diossido di carbonio con
acqua.
35
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
I centri respiratori del tronco cerebrale regolano:
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.
36
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
I neuroni respiratori attivano quelli motori nel midollo spinale
che a loro volta stimolano la contrazione del diaframma e dei
muscoli intercostali esterni permettendo l’inspirazione (2
secondi).
Quando si interrompe i muscoli si rilassano e il polmone torna
alla sua forma iniziale.
L’espirazione è un fenomeno passivo che dura circa 3 secondi.
37
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
I chemiorecettori centrali si trovano a livello di midollo
allungato, risentono della concentrazione di diossido di
carbonio e ioni idrogeno nel liquido cefalo-rachidiano.
I chemiorecettori periferici si trovano a livello di arco aortico e
delle arterie carotidi, influenzano la pressione arteriosa,
risentono di ossigeno, diossido di carbonio e ione idrogeno nel
sangue.
Se la concentrazione di CO2, e quindi quella di H+, aumenta, la
respirazione diventa più profonda e veloce.
In caso di iperventilazione si possono avere capogiri a causa
dell’aumento di H+ nel sangue e nel cervello.
38
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
39
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
Febbre e alte temperature aumentano frequenza e
profondità del respiro.
Freddo e condizioni di ipotermia rallentano il respiro, se
siamo in acque gelide si entra per pochi istanti in apnea.
Un dolore breve e intenso provoca apnea, un dolore
prolungato aumenta la frequenza respiratoria.
40
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione
I recettori del movimento o propriorecettori, in caso di
attività fisica stimolano il centro inspiratorio per aumentare
la ventilazione.
I recettori di stiramento o tensorecettori, attivano
l’espirazione quando si ha un aumento del diametro
bronchiale all’inspirazione.
41
Curtis et al. Invito alla biologia.blu © Zanichelli editore 2012
