La Fisiologia della Respirazione

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1 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Lezione di Fisiologia La Fisiologia della Respirazione

2 Prof Andrea Mazzatenta, PhD La respirazione è scambio di gas O 2 > O 2 = CO CO CO 2 2 O 2 < 2

3 La fosforilazione ossidativa Prof Andrea Mazzatenta, PhD O 2 ATP

4 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Il sangue come mezzo di trasporto e scambio Nutrienti O 2 CO 2 Scarto

5 Prof Andrea Mazzatenta, PhD La domanda metabolica di ossigeno varia con l attività fisica

6 I processi della respirazione Ventilazione - inspirazione - espirazione Respirazione esterna - scambio di O 2 e CO 2 tra polmoni e sangue - traporto di O 2 e CO 2 nel sangue verso i tessuti - scambio di gas tra sangue e cellule = movimento d aria per diffusione Respirazione interna o cellulare - respirazione cellulare per produrre ATP

7 Prof Andrea Mazzatenta, PhD 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.

8 Le vie aeree Cavità nasale o orale = rino- e orofaringe Faringe - via di passaggio comune per cibi, liquidi e aria Laringe - contiene le corde vocali Trachea - è un tubo semirigido fatto da anelli di cartilagine Bronchi primari - si ramificano ripetutamente fino ai bronchioli

9 Vie respiratorie Vie respiratorie superiori - cavità nasale - cavità orale - faringe Zona di conduzione -laringe -trachea - bronchi - bronchioli Zona respiratoria = rinofaringe = orofaringe Passaggio aria Spazio morto anatomico 150 ml - alveoli Scambio gas - sacchi alveolari

10 Vie aeree superiori Prof Andrea Mazzatenta, PhD

11 Glottide ed epiglottide Prof Andrea Mazzatenta, PhD

12 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Ostruzioni e alterazioni del rinofaringe Polipo nasale Danno da cocaina

13 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Ostruzioni e alterazioni dell orofaringe disfagia ostruttiva vs. occlusione intestinale

14 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Apnea notturna gas airbag

15 Cellule caliciformi Prof Andrea Mazzatenta, PhD

16 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Trachea Cellule caliciformi Anelli cartilaginei a C sono fondamentali per impedire il collasso durante l inspirazione per la riduzione di pressione dell aria

17 Ramificazioni delle vie aeree Cellule ciliate (funzionale alla scalata del muco ) Bronchi primari, secondari, terziari e più piccoli. Per evitare il collasso i bronchi hanno anelli cartilaginei completi nei bronchioli invece ci sono fibre eleatiche

18 Prof Andrea Mazzatenta, PhD 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.

19 La zona respiratoria Prof Andrea Mazzatenta, PhD

20 Gli alveoli

21 Gli alveoli Prof Andrea Mazzatenta, PhD

22 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

23 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Relazione tra respirazione esterna e interna

24 Chronic Obstructive Pulmonary Disease Prof Andrea Mazzatenta, PhD

25 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 (N 2 ) 78,08% - Ossigeno (O 2 ) 20,95% - Argon (Ar) 0,93% Composti Organici Volatili (VOCs) - Anidride carbonica (CO 2 ) 0,03%

26 La legge di Dalton La pressione barometrica totale (P B ) è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas (P gas ): P B = PN 2 + PO 2 + PH 2 O + PCO 2 + PVOCs Dove PN 2, PO 2, PH 2 O e PCO 2 indicano, rispettivamente, le pressione parziale di azoto, ossigeno, vapore acqueo e anidride carbonica, e vengono calcolati moltiplicando P B per la percentuale del gas PN 2 = 0.78 x mm Hg PO 2 = 0.21 x mm Hg PCO 2 = 0.03 x mm Hg

27 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 P 1 V 1 = P 2 V 2

28 Avvolgono i polmoni Sono formati da due strati Sono riempiti di liquido (pochi millilitri) I sacchi pleurici Pleura parietale (coste) e viscerale (polmoni) tra le due spazio intrapleurico (15mL di liquido intrapleurico) 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

29 La gabbia toracica Ossa - colonna vertebrale - sterno - costole Muscoli -intercostali esterni -intercostali interni -addominali - diaframma - scaleni - sternocleidomastoidei

30 La ventilazione: l'inspirazione La contrazione del diaframma aumenta il volume toracico La contrazione dei muscoli inspiratori allarga la gabbia toracica

31 Prof Andrea Mazzatenta, PhD

34 La pressione intrapleurica La pressione intrapleurica (P pl ) è negativa - 3 mm Hg 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

35 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Le pressioni polmonari sono 4: 1. P atm = atmosferica (circa costante); 2. P alv = intra-alveolare (pressione d aria dentro gli alveoli varia tra inspirazione e espirazione); 3. P ip = intrapleurica a riposo = -4 mmhg è sempre negativa e sempre inferiore a quella intraalveolare; 4. P transpolmonare = P alv - P ip

36 Prof Andrea Mazzatenta, PhD La ventilazione si ottiene grazie a gradienti di pressione tra alveoli e aria esterna che condizionano il movimento d aria: inspirazione = P alv < P atm espirazione = P alv > P atm

37 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Capacità Funzionale Residua = CFR (quando il sistema è a riposo) Aria dentro i polmoni verso gli alveoli Aria fuori dai polmoni

38 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(P alv -P ip ) ΔV = cambiamento polmonare Δ(P alv -P ip ) = variazione pressione transpolmonare

39 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

41 ORTT-VOCs Prof Andrea Mazzatenta, PhD

42 I gradienti di pressione parziale Alveoli O 2 PO 2 = 100 mm Hg PO 2 = 40 mm Hg PCO 2 = 40 mm Hg PCO 2 = 46 mm Hg CO 2 PO 2 = 40 mm Hg PCO 2 = 46 mm Hg PO 2 = 100 mm Hg PCO 2 = 40 mm Hg Circolazione venosa Circolazione arteriosa PO 2 = 40 mm Hg PCO 2 = 46 mm Hg PO 2 = 100 mm Hg PCO 2 = 40 mm Hg Cellule CO 2 PCO 2 = 40 mm Hg PCO 2 46 mm Hg PO 2 = 100 mm Hg PO 2 40 mm Hg O 2

43 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

44 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

45 Prof Andrea Mazzatenta, PhD Legge di Laplace: P = 2T/r P = pressione d aria T = tensione superficiale r = raggio alveolo

50 I volumi e le capacità polmonari

51 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 V C Volume di riserva espiratoria (VRE) - volume espirato forzatamente dopo l'espirazione normale Volume residuo (VR) - volume d'aria presente dopo un'espirazione massimale Capacità vitale (CV) = V C + VRI + VRE circa 4500 ml - q.tà massima di aria che può essere spostata volontariamente in un atto resp. Capacità polmonare totale (CPT) = CV + VR circa 5700 ml Capacità inspiratoria = VRI + V C circa 3500 ml Capacità funzionale residua (CFR) = VRE + VR circa 2200 ml

53 Spazio morto (150 ml): volume d'aria nelle vie di conduzione, che non scambiano gas con il sangue Efficacia della ventilazione

54 La ventilazione alveolare È la quantità di aria che raggiunge gli alveoli ogni minuto Frequenza respiratoria (V C - volume dello spazio morto) A riposo 12 respiri/min (500 ml ml) = 4200 ml/min La ventilazione alveolare è molto influenzata da cambiamenti della frequenza e della profondità (V C ) della ventilazione

55 Emoglobina e trasporto dell'ossigeno L'ossigeno viene trasportato nel sangue in due modi: Disciolto nel plasma (1,5%) - solo 3 ml di O 2 in un litro di sangue (l'o 2 ha bassa solubilità) Legato all'hb (98,5%) ml/litro di sangue Con una gittata cardiaca di 5 l/min (3+197) ml/l 5 l/min = 1 l/min di O 2 distribuito ai tessuti

56 Capacità di trasporto dell'ossigeno

57 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 ( PCO 2 e PO 2 ), il sangue che fluisce in rapporto con questi alveoli non viene ossigenato Meccanismi locali di controllo: - la della PO 2 provoca costrizione delle arteriole, dirottando il flusso sanguigno verso gli alveoli meglio ventilati

58 Ossiemoglobina e deossiemoglobina L'ossiemoglobina (Hb O 2 ) è l'hb legata all'o 2 e si forma tramite una reazione chimica reversibile (N.B.: la direzione delle reazioni reversibili dipende dalle quantità di reagenti e prodotti) Hb + O 2 Hb O 2 Nei polmoni (PO 2 alta) la reazione procede verso destra formando ossiemoglobina Nelle cellule (PO bassa) la reazione si inverte e procede 2 verso sinistra; l'ossiemoglobina rilascia O 2 formando deossiemoglobina (Hb ridotta) 2 La quantità di O che si può legare all'hb, quindi, è determinata dalla PO 2 dei tessuti circostanti

59 Curva di dissociazione ossigeno-emoglobina O 2 effettivamente legato MAX O 2 legabile x 100 % di saturazione di O 2

60 Trasporto dell'anidride carbonica La CO 2 viene trasportata nel sangue in tre modi: Disciolta nel plasma (7%) - il CO 2 è più solubile dell'o 2 Legata all'hb (23%) - carbamminoemoglobina Hb + CO 2 Hb CO 2 Come ione bicarbonato (23%) - HCO 3- nel plasma CO 2 + H 2 O H + + HCO 3-

61 Influenze sulla curva di dissociazione O 2 -Hb Spostamenti a sinistra Spostamenti a destra Effetto Bohr capacità dell'hb di legare O 2 capacità dell'hb di legare O 2 Effetto carbaminico ph

62 Influenze sulla curva di dissociazione O 2 -Hb (2) Effetto della temperatura Effetto del 2,3-DPG

63 CO 2 e ioni bicarbonato La conversione della CO 2 a bicarbonato (HCO 3- ): - permette il trasporto della CO 2 dalle cellule ai polmoni - aiuta a mantenere il ph stabile (gli ioni bicarbonato fanno da tampone per gli acidi) Anidrasi carbonica CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H+ + HCO 3- Acido carbonico HCO 3- 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

64 La composizione dei gas alveolari Respirazione normale a riposo PO 2 PCO mm Hg 40 mm Hg Ipoventilazione PO 2 PCO 2 fino a 30 mm Hg fino a 100 mm Hg Iperventilazione PO 2 PCO 2 fino a 120 mm Hg fino a 20 mm Hg

65 Controllo riflesso della ventlazione

66 I tipi di ventilazione

67 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

68 Ritmicità degli atti respiratori

69 I cambiamenti di pressione durante la respirazione Inspirazione a riposo: A 2 ) Il volume toracico aumenta e la pressione alveolare (P alv ) scende a -1 mm Hg. L'aria entra negli alveoli A 3 ) Il flusso d'aria continua mentre la P alv aumenta gradualmente fino a uguagliare quella atmosferica B 2 ) La resistenza all'allungamento dei polmoni fa scendere progressivamente la P pl fino a -6 mm Hg C 2 ) Al termine dell'inspirazione, il volume d'aria nei polmoni è al valore massimo del ciclo respiratorio Espirazione passiva: A 4 ) Il volume toracico diminuisce per il ritorno elastico e la P alv sale a 1 mm Hg. L'aria esce dagli alveoli A 5 ) Al termine dell'espirazione il flusso d'aria si blocca e la P alv è di nuovo uguale alla P atm

70 I riflessi chemocettoriali

71 I chemocettori periferici Le concentrazioni sanguigne di CO 2, O 2 e H + influenzano la ventilazione polmonare. Per esempio, se nel sangue arterioso il livello di O 2 è basso (o è alto quello della CO 2 ) la ventilazione viene intensificata. I chemocettori periferici, come quelli nei corpi carotidei, avvertono cambiamenti della concentrazione di O 2 e H + e regolano la ventilazione di conseguenza.

72 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 CO 2 si trasforma in HCO 3- e H+ Gli ioni idrogeno prodotti da questa reazione stimolano i chemocettori centrali, causando un aumento della ventilazione

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