Lezione di Fisiologia - disputer.unich.it · La Fisiologia della Respirazione Prof Andrea Mazzatenta, PhD . ... Attiva proteine plasmatiche quando passano alla circolazione polmonare

Lezione di Fisiologia

La Fisiologia della Respirazione

Prof Andrea Mazzatenta, PhD


La respirazione è scambio di gas

O2 = CO2

O2 > CO2

O2 < CO2


La fosforilazione ossidativa

ATP

O2


Il sangue come mezzo di trasporto e scambio

CO2

Scarto

Nutrienti

O2


La domanda metabolica di ossigeno varia con l’attività fisica

I processi della respirazione

• Ventilazione

- inspirazione

- espirazione

• Respirazione esterna

- scambio di O2 e CO2 tra polmoni e sangue

- traporto di O2 e CO2 nel sangue

- scambio di gas tra sangue

e cellule

• Respirazione interna

- respirazione cellulare per

produrre ATP

o cellulare

= movimento d’aria

per diffusione

verso i tessuti


Funzioni della respirazione

1. Contribuisce alla regolazione dell’equilibrio acido-base del sangue.

2. Permette la fonazione.

3. Ruolo immunologico e di difesa dell’organismo dai patogeni.

4. Termoregolazione regola l’umidità e la temperatura.

5. Aumenta il ritorno venoso attraverso la pompa respiratoria.

6. Attiva proteine plasmatiche quando passano alla circolazione polmonare.

7. Chemiocezione: sistema olfattivo, s. vomeronasale, s. Masera, s. trigeminale, s.

gangli nasali o di Grunwald, s. terminale, s. del corpo carotideo.

8. Funzione alimentare.

Le vie aeree

Cavità nasale o orale

Faringe

- via di passaggio comune per cibi, liquidi e aria

Laringe

- contiene le corde vocali

Trachea

- è un tubo semirigido fatto da 15-20 anelli di cartilagine

Bronchi primari

- si ramificano ripetutamente fino ai bronchioli

= rino- e orofaringe

Vie respiratorie

• Vie respiratorie superiori

- cavità nasale

- cavità orale

- faringe

• Zona di conduzione

-laringe

-trachea -

bronchi

- bronchioli

• Zona respiratoria

- alveoli

- sacchi alveolari

= rinofaringe

= orofaringe

Passaggio aria Spazio morto anatomico

150 mL

Scambio gas


Vie aeree superiori


Glottide ed epiglottide


Ostruzioni e alterazioni del rinofaringe

Danno da cocaina

Polipo nasale


Ostruzioni e alterazioni dell’orofaringe

disfagia ostruttiva vs. occlusione intestinale


Apnea notturna

gas airbag


Cellule caliciformi


Trachea

Anelli cartilaginei a C sono fondamentali per impedire il collasso

durante l’inspirazione per la riduzione di pressione dell’aria

Cellule caliciformi

Ramificazioni delle vie aeree

Bronchi primari, secondari, terziari e più piccoli.

Per evitare il collasso i bronchi hanno anelli cartilaginei completi nei

bronchioli invece ci sono fibre eleatiche

Cellule ciliate (funzionale alla ‘scalata del muco’)


Fumo

Paralizza le cilia delle cellule ciliate e impedisce la ‘scalata del muco’ si accumula muco ecc. provoca la ‘tosse del

fumatore’, meccanismo di difesa tentativo di sostituire le cilia, aumento attività macrofagi negli alveoli.


La zona respiratoria

Gli alveoli


Gli alveoli

Struttura degli alveoli

• Fibre elastiche

- permettono il ritorno elastico

dopo lo stiramento del polmone

• Cellule di tipo II

- secernono il surfactante

• Cellule di tipo I

- permettono la diffusione dei gas

• Macrofagi

- fagocitano il materiale estraneo


Relazione tra respirazione esterna e interna


Chronic Obstructive Pulmonary Disease

L'aria atmosferica

• A livello del mare la pressione atmosferica è di 760 mm Hg

Per evitare correzioni in base all'altitudine d'ora in avanti si definirà la

pressione atmosferica come 0 mm Hg, indicando le pressioni inferiori e

quelle superiori rispettivamente con numeri negativi e positivi

• Composizione dell'aria atmosferica:

- Azoto (N2) 78,08%

- Ossigeno (O2) 20,95%

- Argon (Ar) 0,93%

- Anidride carbonica (CO2) 0,03%

Composti Organici Volatili

(VOCs)

La legge di Dalton

La pressione barometrica totale (PB) è uguale alla

somma delle pressioni parziali dei singoli gas (Pgas):

PB = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2

Dove PN2, PO2, PH2O e PCO2 indicano, rispettivamente, le pressione parziale di azoto, ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica, e

vengono calcolati moltiplicando PB per la percentuale del gas

PN2 = 0.78 x 760 593 mm Hg

PO2 = 0.21 x 760 160 mm Hg

PCO2 = 0.03 x 760 23 mm Hg

+ PVOCs

La legge di Boyle

La pressione P di una data quantità di gas è inversamente

proporzionale al volume V del recipiente in cui è posto

P1V1 = P2V2

I sacchi pleurici

• Avvolgono i polmoni

• Sono formati da due strati

• Sono riempiti di liquido

(pochi millilitri)

Il liquido pleurico ha 2 funzioni:

- fa da lubrificante permettendo lo

scorrimento delle pleure durante

il movimento dei polmoni

- mantiene i polmoni a stretto

contatto con la parete toracica,

grazie alla sua coesività

Pleura parietale (coste) e viscerale (polmoni) tra le due spazio intrapleurico

(15mL di liquido intrapleurico)

• Ossa

- colonna vertebrale

- sterno

- costole

• Muscoli

-intercostali esterni

-intercostali interni

-addominali -

diaframma

- scaleni

- sternocleidomastoidei

La gabbia toracica

La ventilazione: l'inspirazione

La contrazione del diaframma aumenta il volume toracico

La contrazione dei muscoli inspiratori allarga la gabbia toracica




La pressione intrapleurica

- 3 mm Hg

•

•

• La pressione intrapleurica (Ppl) è negativa

È dovuta a:

- tensione superficiale del

liquido pleurico

-elasticità dei polmoni -

elasticità della gabbia

toracica

Se, per la rottura della parete

polmonare o di quella

toracica cade a zero

(pneumotorace), il polmone

collassa


Le pressioni polmonari sono 4:

1. Patm = atmosferica (circa costante);

2. Palv = intra-alveolare (pressione d’aria dentro gli alveoli varia tra inspirazione e espirazione);

3. Pip = intrapleurica a riposo = -4 mmHg è sempre negativa e sempre inferiore a quella intra-

alveolare;

4. P transpolmonare = Palv - Pip


La ventilazione si ottiene grazie a gradienti di pressione tra alveoli e aria esterna che condizionano il

movimento d’aria:

inspirazione = Palv < Patm

espirazione = Palv > Patm


Capacità Funzionale Residua = CFR (quando il sistema è a riposo)

Aria dentro i polmoni

verso gli alveoli

Aria fuori dai polmoni

•

La complianza e l'elastanza

• La complianza è la capacità dei polmoni di espandersi

- Nelle patologie polmonari restrittive la complianza

diminuisce e c'è bisogno di maggiore energia per

dilatare i polmoni rigidi

L'elastanza è la capacità del polmone di tornare al suo

volume a riposo dopo che viene stirato

- Nell'enfisema l'elastanza diminuisce e c'è bisogno di

uno sforzo cosciente per espirare

Complianza polmonare = ΔV / Δ(Palv-Pip)

ΔV = cambiamento polmonare

Δ(Palv-Pip) = variazione pressione transpolmonare

Lo spirometro

• Quando il soggetto inspira, l'aria si sposta dalla campana

verso i polmoni, quindi il volume della campana diminuisce

e la penna dello spirometro disegna un tracciato in salita


ORTT-VOCs


I gradienti di pressione parziale

Alveoli PCO2 = 40 mm Hg PO2 = 100 mm Hg

O2

PO2 = 40 mm Hg

CO2

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 40 mm Hg

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

PCO2 = 40 mm Hg

Circolazione

venosa

Circolazione

arteriosa

PO2 = 40 mm Hg

PCO2 = 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

PCO2 = 40 mm Hg

Cellule

CO2

PCO2 = 40 mm Hg

2 PCO 46 mm Hg

PO2 = 100 mm Hg

2 PO 40 mm Hg

O2

• Lo scambio gassoso

La diffusione dei gas tra alveoli e sangue obbedisce alle

regole della diffusione semplice:

1) La velocità di diffusione attraverso le membrane è

direttamente proporzionale al gradiente di pressione

parziale (concentrazione)

2) La velocità di diffusione attraverso le membrane è

direttamente proporzionale all'area di scambio

disponibile

3) La velocità di diffusione attraverso una membrana è

inversamente proporzionale allo spessore della

membrana stessa

4) La diffusione è molto rapida sulla breve distanza

Il surfactante

•

• Il surfactante diminuisce la tensione superficiale T del

liquido che riveste gli alveoli il lavoro richiesto per

espandere gli alveoli a ogni atto respiratorio è minore

• È più concentrato negli alveoli

più piccoli e rende la loro T inferiore

a quella degli alveoli

più grandi

Permette quindi di eguagliare la

P tra gli alveoli di dimensioni diverse,

impedendo agli alveoli

piccoli di collassare

Legge di Laplace:

P = 2T/r

P = pressione d’aria

T = tensione superficiale

r = raggio alveolo






I volumi e le capacità polmonari

I volumi e le capacità polmonari (2)

Volume corrente (V ) C

- volume d'aria spostato durante una sola espirazione/inspirazione normale

Volume di riserva inspiratoria (VRI)

- volume aggiuntivo inspirato forzatamente oltre al VC

Volume di riserva espiratoria (VRE)

- volume espirato forzatamente dopo l'espirazione normale

Volume residuo (VR)

- volume d'aria presente dopo un'espirazione massimale

- q.tà massima di aria che può essere spostata volontariamente in un atto resp.

CV + VR

VRI + VC

•

•

•

•

• Capacità vitale (CV) VC + VRI + VRE

• Capacità polmonare totale (CPT)

• Capacità inspiratoria

• Capacità funzionale residua (CFR) VRE + VR

=

=

=

=

circa 4500 mL

circa 5700 mL

circa 3500 mL

circa 2200 mL


Efficacia della ventilazione

Spazio morto (150 ml): volume d'aria nelle vie di conduzione,

che non scambiano gas con il sangue

La ventilazione alveolare

• È la quantità di aria che raggiunge gli alveoli ogni minuto

Frequenza respiratoria × (VC - volume dello spazio morto)

• A riposo 12 respiri/min × (500 ml - 150 ml) = 4200 ml/min

• La ventilazione alveolare è molto influenzata da cambiamenti

della frequenza e della profondità (VC) della ventilazione

Emoglobina e trasporto dell'ossigeno

L'ossigeno viene trasportato nel

sangue in due modi:

• Disciolto nel plasma (1,5%)

- solo 3 ml di O2 in un litro di

sangue (l'O2 ha bassa solubilità)

• Legato all'Hb (98,5%)

- 197 ml/litro di sangue

Con una gittata cardiaca di 5 l/min

(3+197) ml/l × 5 l/min 1 l/min

di O2 distribuito ai tessuti

=

Capacità di trasporto dell'ossigeno

Accoppiamento ventilazione-perfusione

• La ventilazione alveolare è accoppiata

alla perfusione dei capillari polmonari

• Disaccoppiamento tra ventilazione

e perfusione:

- Se la ventilazione in un gruppo di alveoli

diminuisce (PCO2 e PO2), il sangue che

fluisce in rapporto con questi alveoli non

viene ossigenato

• Meccanismi locali di controllo:

- la della PO2 provoca costrizione delle

arteriole, dirottando il flusso sanguigno

verso gli alveoli meglio ventilati

Ossiemoglobina e deossiemoglobina

L'ossiemoglobina (Hb·O2) è l'Hb legata all'O2 e si forma

tramite una reazione chimica reversibile (N.B.: la direzione

delle reazioni reversibili dipende dalle quantità di reagenti e prodotti)

Hb + O2 Hb·O2

•

•

•

Nei polmoni (PO alta) la reazione procede verso destra 2

formando ossiemoglobina

Nelle cellule (PO bassa) la reazione si inverte e procede 2

verso sinistra; l'ossiemoglobina rilascia O2 formando

deossiemoglobina (Hb ridotta)

2 La quantità di O che si può legare all'Hb, quindi,

è determinata dalla PO2 dei tessuti circostanti

Curva di dissociazione ossigeno-emoglobina

x 100 O2 effettivamente legato

MAX O2 legabile

% di saturazione di O2

Trasporto dell'anidride carbonica

La CO2 viene trasportata nel

sangue in tre modi:

• Disciolta nel plasma (7%)

- il CO2 è più solubile dell'O2

• Legata all'Hb (23%)

- carbamminoemoglobina

Hb + CO2 Hb·CO2

• Come ione bicarbonato (23%)

- HCO3- nel plasma

CO2 + H2O H+ + HCO3-

Influenze sulla curva di dissociazione O2-Hb

• Spostamenti a sinistra

• Spostamenti a destra

Effetto Bohr

capacità dell'Hb di legare O2

capacità dell'Hb di legare O2

Effetto carbaminico

pH

Influenze sulla curva di dissociazione O2-Hb (2)

Effetto della

temperatura Effetto

del 2,3-DPG

•

CO2 e ioni bicarbonato

La conversione della CO2 a bicarbonato (HCO3-):

- permette il trasporto della CO2 dalle cellule ai polmoni

- aiuta a mantenere il pH stabile (gli ioni bicarbonato

fanno da tampone per gli acidi)

Anidrasi carbonica

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- Acido carbonico

• HCO3- diffonde rapidamente dai globuli rossi nel plasma

e ioni cloro (Cl-) entrano nel globulo rosso a rimpiazzarlo

• H+ viene tamponato dall'Hb Hb + H+ Hb·H

La composizione dei gas alveolari

Respirazione normale a riposo

PO2 100 mm Hg

PCO2 40 mm Hg

Ipoventilazione

PO2 fino a 30 mm Hg

PCO2 fino a 100 mm Hg

Iperventilazione

PO2 fino a 120 mm Hg

PCO2 fino a 20 mm Hg

Controllo riflesso della ventlazione

I tipi di ventilazione

Controllo della ventilazione

Centro

apneunistico

Gruppo

inspiratorio

ai motoneuroni del

diaframma e degli

intercostali esterni

Centro

pneumotassico

Stimolaz.

Inibizione

Gruppo

espiratorio

ai motoneuroni degli intercostali

interni e degli addomiali

Ritmicità degli atti respiratori

I cambiamenti di pressione durante la respirazione

Inspirazione a riposo:

A2) Il volume toracico aumenta e la pressione alveolare

(Palv) scende a -1 mm Hg. L'aria entra negli alveoli

A3) Il flusso d'aria continua mentre la Palv aumenta

gradualmente fino a uguagliare quella atmosferica

B2) La resistenza all'allungamento dei polmoni fa

scendere progressivamente la Ppl fino a -6 mm Hg

C2) Al termine dell'inspirazione, il volume d'aria nei

polmoni è al valore massimo del ciclo respiratorio

Espirazione passiva:

A4) Il volume toracico diminuisce per il ritorno elastico e

la Palv sale a 1 mm Hg. L'aria esce dagli alveoli

A5) Al termine dell'espirazione il flusso d'aria si blocca e

la Palv è di nuovo uguale alla Patm

I riflessi chemocettoriali

I chemocettori periferici

• Le concentrazioni sanguigne di

CO2, O2 e H+ influenzano la

ventilazione polmonare.

• Per esempio, se nel sangue

arterioso il livello di O2 è basso

(o è alto quello della CO2) la

ventilazione viene intensificata.

• I chemocettori periferici, come

quelli nei corpi carotidei,

avvertono cambiamenti della

concentrazione di O2 e H+ e

regolano la ventilazione di

conseguenza.

I chemocettori centrali

• I chemocettori centrali si trovano

nel bulbo, a contatto con il liquido

cerebrospinale

• La CO2 può attraversare la

barriera emato-encefalica, l'H+

libero nel plasma, invece, non può

• Nel liquido cerebrospinale la CO2

si trasforma in HCO3- e H+

• Gli ioni

questa

idrogeno

reazione

prodotti da

stimolano i

chemocettori centrali, causando

un aumento della ventilazione

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