APPARATO RESPIRATORIO

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Fisiologia Medica A.A APPARATO RESPIRATORIO Prof. Clara Iannuzzi Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale clara.iannuzzi@unicampania.it

2 Ruolo del Sistema Respiratorio: - fornire O 2 - rimuovere CO 2

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4 1 VENTILAZIONE POLMONARE INSPIRAZIONE ESPIRAZIONE 2 RESPIRAZIONE ESTERNA SCAMBIO DIFFUSIVO DI O 2 E CO 2 TRA CAVITA POLMONARI E SANGUE 3 TRASPORTO DI O 2 E CO 2 AI TESSUTI 4 SCAMBIO DIFFUSIVO DI O 2 E CO 2 TRA SANGUE E TESSUTI RESPIRAZIONE INTERNA UTILIZZO DELL OSSIGENO ALL INTERNO DEI MITOCONDRI

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7 FUNZIONI DELLA ZONA DI CONDUZIONE UMIDIFICAZIONE ZONA DI CONDUZIONE RISCALDAMENTO DEPURAZIONE

8 La depurazione avviene ad opera dell epitelio cigliato della trachea

9 La superficie aumenta con l aumentare della ramificazione.

10 ZONA RESPIRATORIA: SCAMBIO DIFFUSIVO DI O 2 E CO 2 TRA CAVITA POLMONARI E SANGUE

11 Cellule di tipo I: struttura della parete Cellule di tipo II: rivolte verso l interno, secernono la sostanza tensioattiva

12 Membrana respiratoria: spessore importante per diffusione libera di O 2 e CO 2.

13 Lo spazio intrapleurico ha un volume molto piccolo ed una funzione molto importante.

14 Processo attivo: richiede il coinvolgimento dei muscoli inspiratori. Processo passivo nella respirazione tranquilla. Avviene attivamente nella respirazione forzata tramite gli intercostali interni e gli addominali.

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17 PV=nRT P=nRT/V P e V sono inversamente proporzionali. Se il volume si dimezza la pressione raddoppia.

18 Forze che intervengono nella ventilazione polmonare La ventilazione è ottenuta grazie alla presenza di gradienti di pressione tra gli alveoli e l aria esterna (atmosferica). Il movimento dell aria dipende dal gradiente di pressione tra le zone ad alta pressione a quelle di bassa pressione.

19 In assenza di pressione intrapleurica negativa, i polmoni collassano.

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22 Forze che intervengono nella ventilazione polmonare a) il movimento dell aria dipende dalla differenza di pressione; b) l aria si sposta da zone a pressione maggiore verso zone a pressione minore; a) l inspirazione si ha quando la pressione atmosferica è maggiore di quella alveolare; d) nell espirazione si verifica il contrario p atm <p alv

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24 Essa dipende da: - Elasticità dei polmoni; - Tensione superficiale* del liquido alveolare. *La tensione superficiale di un liquido è una misura del lavoro necessario per aumentare la sua superficie Il tensioattivo polmonare (surfactant) riduce la tensione superficiale e determina un aumento della complianza

25 SP-A SP-B SP-C SP-D

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27 In assenza di tensioattivo, se due alveoli di dimensioni differenti hanno la stessa pressione, l alveolo più piccolo collassa per equilibrarsi con il valore di pressione dell altro alveolo. Il tensioattivo è più concentrato negli alveoli piccoli e questo fa si che essi abbiano una tensione superficiale minore di quelli grandi impedendone il collasso.

28 Resistenza vie respiratorie

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30 Resistenza delle vie respiratorie S.N.A. Simpatico Vago Raggio Istamina CO 2

31 La spirometria consente di misurare la capacità del sistema respiratorio.

32 La composizione dell aria negli alveoli è costante.

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36 L ossigeno diffonde attraverso le cellule alveolari ed endoteliali per entrare e solubilizzarsi nel plasma.

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38 Trasporto di O 2 nel sangue deossigenato = 750 ml/min Trasporto di CO 2 nel sangue deossigenato = 2700 ml/min Velocità di diffusione dell O 2 dagli alveoli al sangue deossigenato = 250 ml/min Velocità di diffusione della CO 2 dal sangue deossigenato agli alveoli = 200 ml/min Trasporto di O 2 nel sangue ossigenato = 1000 ml/min Trasporto di CO 2 nel sangue ossigenato= 2500mL/min

39 1 DIFFUSIONE Lo scambio di O 2 e CO 2 tra polmoni e sangue o tra sangue e cellule segue le regole della diffusione semplice attraverso membrane, descritte dalla legge di Fick: J = PΔC La velocità di diffusione v è data da: v = J x S, dove S è la superficie attraverso cui avviene lo scambio. Pertanto, la velocità di diffusione è direttamente proporzionale alla superficie ed al ΔC, inversamente proporzionale allo spessore della membrana. 2 SOLUBILIZZAZIONE Legge di Henry

40 Se raddoppia la pressione parziale del gas, raddoppia la sua solubilità.

41 Pressione parziale di un gas I gas sono miscibili tra loro in tutte le proporzioni formando dei miscugli omogenei. Se due o più gas vengono mescolati in un recipiente, ogni componente si comporta come se fosse l unico presente nel recipiente esercitando una pressione detta parziale (Legge di Dalton). La pressione parziale di un gas in una miscela è pertanto la pressione che esso eserciterebbe qualora fosse presente da solo nel recipiente che lo contiene.

42 All equilibrio le po 2 sono uguali nelle due fasi K: costante legge di Henry ad una specifica T

43 CO 2 più solubile in acqua rispetto all O 2.

44 C è una relazione diretta tra pressione parziale di un gas nel plasma e la concentrazione di quel gas nel plasma (all aumentare della P aumenta anche la concentrazione.) A ciascuna pressione parziale, nel plasma si discioglie più CO 2 che O 2, in quanto la CO 2 è più solubile nel plasma (all aumentare della P aumenta anche la concentrazione). Poiché la conc. di un gas nel plasma è direttamente correlata alla sua pressione parziale, i movimenti di un gas per diffusione avvengono da aree a alta pressione parziale (o alta conc.) ad aree a bassa pressione parziale (o bassa conc.).

45 COEFFICIENTE DI SOLUBILITA DEI GAS IN H 2 O cm 3 gas/dl (H 2 O) x atm 0 37 N 2 2,4 1,3 O 2 4,9 2,5 CO 2 17,0 5,6 COEFFICIENTI DI SOLUBILITA DEI GAS ANESTETIZZANTI A 37 C cm 3 /dl x atm Ciclopropano 41,5 Etere etilico 152,0

46 K= 2,5 cm 3 /dl atm Contenuto di O 2 nel plasma = 0,3 ml/dl Contenuto di O 2 nel sangue= 20,0 ml/dl

47 Hb + 4O 2 = Hb(O 2 ) 4 Il legame della prima molecola di O 2 influenza l affinità di legame delle molecole successive.

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49 Osservazioni A valori di po 2 = 100 mmhg % saturazione Hb=98% Tra 70 e 100 mmhg la curva è piatta. Il 100% di saturazione si raggiunge a 650 mmhg. Tra 60 e 10 mmhg, la pendenza della curva è ripida. Significato Nei tessuti metabolicamente attivi (po 2 40), l HbO 2 si dissocia rapidamente.

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52 Effetto Bohr = spostamento della curva di affinità al variare del ph. Al diminuire del ph l affinità decresce. Hb + O 2 = HbO 2 + H + Hb + CO 2 = HbCO 2 [carbamminohb]

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54 Un effetto analogo a quello della CO 2 è mostrato dal 2,3-DPG. Il 2,3-DPG riduce l affinità dell Hb per l O 2. L ipossia cronica (lungo periodo di carenza di carenza di O 2 ) innesca un aumento della produzione di 2,3-DPG. L elevata altitudine e l anemia innalzano i livelli di 2,3-DPG.

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58 Valori normali dei gas ematici e del ph Sangue arterioso Sangue venoso P O2 95 mmhg (85-100) 40 mmhg P CO2 40 mmhg (35-45) 46 mmhg ph 7,4 (7,38-7,42) 7,37

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62 CONTENUTO TOTALE DI O 2 NEL SANGUE ARTERIOSO % saturazione Hb Numero totale di siti di legame ph pco 2 Temper. 2,3-DPG [Hb]/eritrocita Numero di eritrociti

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64 IPOSSIA Insufficienza di O 2 a Livello alveolare (ipossia ipossica) Disturbi nello scambio di O 2 (ipossia ipossica) Inadeguatezza del trasporto di O 2 nel sangue (ipossia anemica)

65 Insufficienza di O 2 a Livello alveolare (ipossia ipossica) Fisiologica (altitudine) riduzione po 2 alveolare Ipoventilazione

66 Disturbi nello scambio di O 2 (ipossia ipossica)

67 Cause e tipi di ipossia Ipossia ipossica: bassa P O2 arteriosa Fisiologica: elevata altitudine Ipoventilazione alveolare Riduzione della capacità di diffusione alveolare Ipossia anemica: riduzione della quantità totale di O 2 Perdita di sangue ed anemia Inalazione di CO Ipossia ischemica: riduzione del flusso ematico ai tessuti Ipossia istotossica: incapacità delle cellule ad utilizzare O 2 Cianuri ed altri veleni metabolici

68 Ruolo del sistema respiratorio nell equilibrio acido-base

69 Equilibrio acido-base Il ph arterioso è mantenuto entro i suoi valori normali tra 7.38 e 7.42 dall azione combinata di apparato respiratorio e renale. Una riduzione del ph sotto 7.35 è detta acidosi, un aumento sopra 7.45 è detta alcalosi.

70 Anidrasi carbonica La CO 2 è una fonte di acido: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Nel sangue la CO 2 prodotta dal metabolismo cellulare viene convertita in bicarbonato e ioni idrogeno. Quando il sangue arriva ai polmoni carico di CO 2 la reazione si inverte e la CO 2 viene espulsa.

71 ACIDOSI Eccesso di CO 2 nel sangue Eccesso acidi non volatili (lattato) ALACALOSI Deficit di CO 2 nel sangue Eccesso di bicarbonato

72 ACIDOSI Patologie dei polmoni che possono interferire con scambio di CO 2 tra alveoli e sangue Ipoventilazione Distrurbi metabolici La P CO2 arteriosa aumenta portando un aumento di CO 2 e H+ nel sangue (riduzione del ph).

73 ALCALOSI Iperventilazione Distrurbi metabolici La P CO2 arteriosa diminuisce portando una riduzione di CO 2 e H+ nel sangue (aumento del ph).

74 DISTURBI METABOLICI Acidosi metabolica: eccessiva eliminazione di sostanze alcaline come il bicarbonato. eccessiva produzione di acidi dal metabolismo eccessiva assunzione di acidi con la dieta Alcalosi metabolica: eccessiva eliminazione di acidi dall organismo aumento di sostanze alcaline nel sangue

75 DISTURBI METABOLICI Fattori che possono provocare disturbi metabolici nell equilibrio acido-base: 1. Dieta ricca di proteine: catabolismo proteico produce acido fosforico e solforico determinando acidosi metabolica. 2. Dieta ricca di grassi: catabolismo grassi produce acidi grassi determinando acidosi metabolica. 3. Attività fisica intensa: produzione di acido lattico determina acidosi metabolica 4. Vomito eccessivo: perdita eccessiva di ioni idrogeno può causare alcalosi metabolica. 5. Diarrea grave: perdita di bicarbonato può causare acidosi metabolica. 6. Alterazioni della funzione renale: possono influire sia su acidosi che alcalosi metabolica.

76 MECCANISMI DI DIFESA 1. Effetto tampone degli ioni idrogeno avviene attraverso il legame o il rilascio di ioni H + sostanze normalmente presenti nel sangue. da 2. Compensazione respiratoria Modifica la velocità con la quale la CO 2 rimossa dal sangue a livello dei polmoni. deve essere 3. Compensazione renale Modifica la velocità con la quale gli ioni H+ vengono secreti e gli ioni bicarbonato riassorbiti dai tubuli renali. Compensazione: non correggono la causa di un disturbo acidobase ma lo compensano cercando di riportare il ph arterioso a valori normali.

77 1. EFFETTO TAMPONE I sistemi tampone riducono al minimo le variazioni del ph legandosi con gli H + liberi o rilasciandoli

78 aggiunto H + + A - rimosso H + + A - HA HA Quando un acido viene aggiunto ad una soluzione la forma ionizzata del tampone (A-) si combina con gli ioni idrogeno per produrre la forma protonata del tampone. Quando un acido è rimosso da una soluzione, la forma protonata del tampone rilascia ioni idrogeno. Il sistema tampone è il più rapido ma può solo limitare i cambiamenti di ph (non li può invertire).

79 Sistema tampone acido carbonico/bicarbonato (tampone primario del LEC contro le variazioni degli acidi non carbonici) Sistema tampone proteico (tampone primario del LIC, tampona anche il LEC) Sistema tampone emoglobina (tampone primario contro le variazioni dell acido carbonico) Sistema tampone fosfato (importante tampone urinario, tampona anche il LIC)

80 Sistema tampone bicarbonato (LEC) Se c è un eccesso di ioni H + essi si legano al bicarbonato per formare CO 2. Se la CO 2 aumenta nel sangue, essa può essere convertita in bicarbonato e ioni H + ph = pk + log [HCO 3] [CO 2 ] Eq. Henderson-Hasselbach ph = 6,1 + log [HCO 3] [CO 2 ] ph sangue = 7,4 [HCO 3 ] [CO 2 ] = 20 1

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82 Sistema tampone emoglobina

83 Sistema tampone emoglobina Proteina n- Le proteine plasmatiche possiedono una carica netta negativa Acido H + + Proteina (n+1)- Nella cessione di H+ il numeri di cariche neg aumenta Base Cariche negative: catene laterali aminoacidi Asp, Glu, Cys Cariche positive: catene laterali aminoacidi Lys, Arg, His (Hb contiene 38 residui di His) Sistema tampone chiuso: la conc. totale delle proteine non cambia né nel plasma (albumina) né negli eritrociti (Hb). Il numero di residui aa è elevato e questo contribuisce al ruolo fondamentale del sistema tampone delle proteine.

84 2. COMPENSAZIONE RESPIRATORIA L aumento della ventilazione polmonare rimuove CO 2 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Aumenta il ph La diminuzione della ventilazione polmonare fa aumentare la CO 2 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Diminuisce il ph

85 Compensazione respiratoria

86 3. COMPENSAZIONE RENALE Viene realizzata modificando la velocità con la quale gli ioni idrogeno vengono secreti e gli ioni bicarbonato vengono riassorbiti dai tubuli renali. Riassorbimento carbonati espulsione di H + (avviene in cotrasporto con Na + ) Se si ha riduzione di assorbimento di Na + nel LEC questo fa diminuire il riassorbimento del carbonato. Escrezione di Na + favorita dall NH 3 che proviene dalla glutammina.

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91 Regolazione centrale della ventilazione [mantenimento delle pressioni parziali arteriose dei gas a valori normali] Ventilazione alveolare = volume d aria immesso negli alveoli al minuto Ventilazione alveolare Frequenza Volume Atto respiratorio

92 Inspirazione Processo attivo: contrazione dei muscoli inspiratori: -diaframma -intercostali esterni Atto respiratorio Espirazione Processo passivo nella respirazione tranquilla. Processo attivo nella respirazione intensa: contrazione muscoli intercostali interni.

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94 Neuroni espiratori? Neuroni inspiratori Generatore Centrale Pattern (CPG)

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97 Ipoventilazione alveolare primitiva (o maledizione di Ondina) Il controllo vegetativo della respirazione risulta assente. Tale difetto comporta la cessazione della ventilazione durante il sonno nella persona affetta. I pazienti sono costretti ad utilizzare per tutta la vita dispositivi meccanici per la respirazione indotta.

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100 Chemocettori periferici

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