LA RESPIRAZIONE. Il processo della respirazione

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1 LA RESPIRAZIONE Processo fisico attraverso cui gli organismi viventi assumono ossigeno dall'ambiente circostante ed espellono anidride carbonica. Il termine respirazione viene usato anche per indicare la liberazione di energia, all'interno della cellula, dalle molecole di sostanze energetiche come i carboidrati e i grassi. I prodotti di questo processo, talvolta chiamato respirazione cellulare per distinguerlo dal processo fisico della respirazione, sono l'anidride carbonica e l'acqua. La respirazione cellulare è un processo che si svolge con modalità simili nella maggior parte degli organismi viventi, da quelli unicellulari, come l'ameba e il paramecio, agli animali superiori (vedi Metabolismo). Per un'illustrazione della respirazione nelle piante vedi Fotosintesi. Il processo della respirazione I piccoli organismi dei regni dei procarioti e dei prototisti non possiedono apparati respiratori specializzati e la respirazione avviene per diffusione dell'ossigeno e dell'anidride carbonica attraverso la membrana cellulare. La concentrazione di ossigeno nell'organismo è più bassa che nell'aria o nell'acqua circostanti, mentre quella di anidride carbonica è maggiore; di conseguenza l'ossigeno passa per diffusione all'interno dell'organismo, mentre l'anidride carbonica si muove in direzione opposta. Nelle piante e nelle spugne la respirazione è basata sullo stesso processo. Negli animali inferiori acquatici più complessi delle spugne, un mezzo circolante, di composizione simile a quella dell'acqua di mare, porta i gas respiratori dai tessuti esterni alle cellule distanti dalla sede dello scambio gassoso. Negli animali superiori, organi specializzati accrescono la superficie di esposizione del liquido circolante al mezzo esterno e sistemi di circolazione portano il liquido in ogni parte del corpo. Inoltre il liquido circolante, il sangue, contiene pigmenti respiratori, complesse molecole organiche in cui una struttura anulare contenente un metallo come il ferro è combinata con una proteina. Il più diffuso pigmento respiratorio è l'emoglobina, presente nel sangue della maggior parte dei mammiferi e formata da un una proteina (globina) e da un composto porfirinico coordinato al ferro (eme). In alcuni insetti, il pigmento del sangue è l'emocianina, simile all'emoglobina, in cui il ferro è, però, sostituito dal rame. La proprietà più importante dei pigmenti respiratori è la loro affinità per l'ossigeno: quando viene esposto a un'atmosfera ricca di questo elemento (come avviene nei capillari di organi respiratori come le branchie o i polmoni), i pigmenti formano un

2 legame chimico debole con l'ossigeno, dando luogo alla formazione di ossiemoglobina, determinata dalla maggior pressione parziale di ossigeno nell'aria alveolare rispetto al sangue polmonare. L'ossiemoglobina è più acida dell'emoglobina e quindi assorbe ioni sodio dal plasma sanguigno, spingendo il sangue a liberare l'anidride carbonica. Quando il sangue raggiunge i tessuti, il bilancio dell'ossigeno si inverte: il pigmento del sangue libera l'ossigeno e, divenendo più basico, libera anche ioni sodio che si combinano con l'anidride carbonica proveniente dai tessuti formando bicarbonato di sodio. La respirazione esterna è lo scambio di gas che avviene nel sangue, mentre quella interna è lo scambio di gas che si verifica nell'organismo, tra il sangue e i tessuti. Vedi Sistema circolatorio. La respirazione nella vita animale inferiore Gli animali acquatici attuano la respirazione esterna attraverso le branchie, nelle quali meccanismi respiratori ausiliari mantengono un flusso costante di acqua corrente. Le branchie sono tanto ramificate da assomigliare a piume e in ogni ramificazione sono presenti sottili vasi sanguigni. Il sangue è separato dal mezzo acquoso da due strati di cellule, quello dei sottili vasi sanguigni o capillari e quello dell'epitelio della branchia. I gas diffondono rapidamente attraverso l'epitelio e quindi l'ampia superficie fornita dalle ramificazioni permette di ossigenare in breve tempo grandi volumi di sangue. Nei piccoli animali terrestri, come i lombrichi, la respirazione avviene attraverso i capillari della pelle, mentre le forme anfibie, come le rane (vedi Anuri), respirano attraverso la pelle e per mezzo dei polmoni. Gli insetti respirano per mezzo di appositi condotti per l'aria, le trachee, che si aprono all'esterno del corpo e si ramificano attraverso i tessuti, portando l'aria agli organi e alle strutture interne. Rettili e mammiferi respirano unicamente attraverso i polmoni, mentre gli uccelli possiedono, collegati ai polmoni, sacche aerifere nel collo, nel torace e nella cavità addominale, che collaborano alla respirazione polmonare e che sono in comunicazione con le cavità presenti in alcune ossa. Gli apparati respiratorio e circolatorio degli animali che respirano aria si possono modificare per adattarsi alla vita in ambienti poveri di ossigeno. Ad esempio, chi vive sulle Ande a 3000 metri o più di altitudine possiede polmoni più voluminosi, sistemi di capillari più ramificati e un battito cardiaco più rapido di chi vive ad altitudini minori. Inoltre, il sangue di chi vive a grandi altezze contiene il 30% in più di globuli rossi rispetto a quello di chi vive a livello del mare, consentendo all'organismo di utilizzare in modo più efficiente la minore quantità di ossigeno a disposizione. Generalmente i mammiferi acquatici hanno voluminosi polmoni e sistemi vascolari grandi e complessi per conservare il sangue. Il volume sanguigno delle balene e delle foche è

3 fino al 50% superiore, per chilogrammo di peso corporeo, al volume del sangue dell'uomo. Ciò permette a questi animali di rifornire per molto tempo i loro tessuti di sangue ossigenato senza dover respirare: i cetacei possono, ad esempio, restare immersi per un periodo di tempo variabile, a seconda della specie, tra 15 minuti e più di un'ora, mentre gli elefanti marini possono rimanere sott'acqua per 30 minuti. Il contenuto di ossigeno nel sangue arterioso della foca (vedi Pinnipedi) è pari al 20% e quando quest'animale si tuffa sott'acqua il suo battito cardiaco passa da 150 a 10 battiti al minuto, riemergendo solo quando il livello dell'ossigeno arriva vicino al 2%. La respirazione umana Come in tutti i vertebrati, negli esseri umani i polmoni sono racchiusi nel torace, sostenuto dalle coste e dotato di una base a cupola formata dal diaframma. Diaframma: Setto di natura muscolare e tendinea, che separa la cavità toracica da quella addominale. Il diaframma è caratteristico di tutti i mammiferi ed è presente, seppure in forma rudimentale, anche in alcuni uccelli. Nell'uomo si trova attaccato alla seconda e alla terza vertebra lombare, alle ultime sei costole e allo sterno. Tre grandi aperture del diaframma permettono il passaggio dell'aorta, delle vene, dei nervi, dei dotti linfatici e del dotto toracico. Nell'uomo il diaframma è inclinato verso l'alto, più elevato anteriormente che posteriormente, e quando è rilassato ha forma a cupola. La sua contrazione ed espansione sono importanti per la respirazione: durante l'inspirazione il diaframma si contrae, appiattendosi e aumentando la capacità del torace, e l'aria si riversa nei polmoni; quando, invece, il diaframma si rilassa, l'aria viene espirata. Contraendosi, il diaframma esercita una pressione sull'addome, stimolando lo stomaco e favorendo, così, il processo di digestione. Il singhiozzo è provocato dalla contrazione spastica e involontaria del diaframma. Vedi anche Anatomia. 1 Le coste sono inclinate verso il basso e in avanti e quando vengono sollevate per azione dei muscoli intercostali, il volume del torace aumenta. Il volume toracico viene accresciuto anche dalla contrazione verso il basso dei muscoli del diaframma. All'interno del torace, i polmoni sono mantenuti vicini alla parete del torace dalla pressione atmosferica. Quando il torace aumenta di volume, anche i polmoni si

4 espandono riempiendosi dell'aria inspirata attraverso le vie aeree. Il rilassamento dei muscoli che provocano l'espansione del torace permette ai gruppi muscolari opposti di riportare il torace in posizione contratta, spingendo l'aria fuori dai polmoni. In genere, a ogni respiro entrano ed escono dai polmoni fino a 500 cc di aria, il cosiddetto volume corrente. Circa 3000 cc di altra aria (volume di riserva inspiratoria) possono essere inspirati attraverso un'inspirazione forzata e poi espirati, mentre altri 1000 cc (volume di riserva espiratoria) possono essere espulsi con un'espirazione forzata. La somma di queste tre quantità dà la capacità vitale. Nei polmoni restano sempre circa 1200 cc di aria che non possono essere espirati (volume residuo o alveolare). Nell'uomo, i polmoni hanno una forma grossolanamente piramidale, che si adatta alla forma del torace. Non sono perfettamente simmetrici: il polmone destro è formato da tre lobi, mentre il sinistro è formato da due lobi e, vicino al margine mediano della base, presenta l'incisura cardiaca nella quale è collocato il cuore. Sul lato mediano di ciascun polmone si trova il peduncolo polmonare, formato dai bronchi, dalle arterie e dalle vene polmonari. Quando penetra all'interno del polmone, il bronco si suddivide ripetutamente fino a terminare nel lobulo, l'unità strutturale e funzionale polmonare. Le arterie e le vene polmonari che accompagnano il bronco si dividono anch'esse negli stessi punti; le arteriole e le venule dei lobuli sono collegate attraverso un denso reticolo di capillari posti sulle pareti delle cellule polmonari. Anche i nervi del plesso polmonare e i vasi linfatici sono distribuiti nello stesso modo. All'interno del lobulo, il bronchiolo si divide nei bronchioli terminali, ognuno dei quali sbocca in due o più bronchioli respiratori. A sua volta, ciascuno dei bronchioli respiratori si apre su alcuni sacchi alveolari, le pareti dei quali presentano rigonfiamenti verso l'esterno che costituiscono i numerosi alveoli (cellule aeree) del lobulo. Il principale centro nervoso che controlla la frequenza e la profondità della respirazione si trova nel centro respiratorio del ponte di Varolio e del midollo allungato nel tronco cerebrale (vedi Cervello). Le cellule di questo nucleo sono sensibili all'acidità del sangue, che dipende della maggiore o minore concentrazione di anidride carbonica nel plasma. Quando l'acidità è alta il centro della respirazione stimola i muscoli respiratori a una maggiore attività, mentre quando la concentrazione dell'anidride carbonica è bassa la respirazione viene depressa. La mancata circolazione del sangue provoca l'asfissia dei tessuti dell'organismo (anche se la respirazione esterna è del tutto normale), che può verificarsi anche quando il volume sanguigno in circolo è inadeguato o viene distrutto il potere di trasporto dell'ossigeno del sangue. Per altri disturbi dell'apparato respiratorio, vedere i singoli

5 articoli sulle singole malattie, ad esempio, asma bronchiale, aeroembolismo, bronchite, raffreddore, difterite, influenza, pleurite, polmonite e tubercolosi. 2 Pleurite Infiammazione della pleura, cioè della membrana sierosa che riveste i polmoni. La pleurite può essere causata dall'azione di batteri o di virus; in alcuni casi, può verificarsi in concomitanza con altre malattie, come la tubercolosi, il lupus eritematoso sistemico, la febbre reumatica, l'insufficienza renale. Può anche essere la conseguenza di un infarto polmonare, cioè di una condizione in cui il tessuto del polmone, non ricevendo più sufficiente ossigeno, diventa necrotico (irreversibilmente alterato) e muore. La pleurite può presentarsi insieme a un'infiammazione polmonare. In alcuni casi, a causa del processo infiammatorio nel corso della malattia, si può produrre un versamento, cioè l'accumulo di liquido trasudato dai vasi sanguigni. Sintomi caratteristici della pleurite sono un dolore acuto a livello del torace, che si intensifica quando si effettuano ampi movimenti respiratori, e tosse secca. Per ridurre la sensazione di dolore, il paziente tende a inspirare e a espirare solo superficialmente, in modo da non espandere troppo il torace. Se si accumula molto liquido, il dolore sembra talvolta diminuire, ma in tale condizione il polmone viene a trovarsi compresso, il che determina una respirazione difficoltosa. Effettuando l'auscultazione del paziente, è possibile che il medico senta un suono aspro, prodotto dallo sfregamento delle pleure infiammate, e, in caso di versamento pleurico, una riduzione dei normali rumori respiratori. La terapia della pleurite comporta la cura dell'infezione, mentre il dolore può essere controllato con la somministrazione di analgesici.3 Raffreddore Malattia infettiva acuta delle vie aeree superiori, causata da oltre cento tipi di virus. L'infezione colpisce le mucose del naso e della gola, determinando manifestazioni come congestione e ipersecrezione nasale, mal di gola e tosse, tipici anche di infezioni respiratorie causate da batteri e di affezioni allergiche come il raffreddore da fieno e l'asma. L'influenza può provocare gli stessi sintomi di un raffreddore, ma in genere è accompagnata da febbre più alta, malessere, cefalea e dolore alle articolazioni. La congestione del naso e la cefalea possono, peraltro, essere sintomi anche di rinite e sinusite.

6 Manifestazioni e decorso Normalmente il raffreddore è una malattia che si presenta in forma lieve, senza febbre, e guarisce spontaneamente in circa sette giorni. La sua importanza medica deriva dalle possibili complicanze: da un raffreddore possono, infatti, insorgere varie malattie, tra cui bronchite, polmonite, sinusite e otite media (infezione dell'orecchio medio). La ricerca ha dimostrato che per ogni virus del raffreddore esistono vari ceppi, con diversi gradi di virulenza, e che l'infezione da parte di un ceppo conferisce solo una breve immunità alla reinfezione da parte dello stesso ceppo, ma non dà immunità contro nessuno degli altri. Per questo motivo è molto difficile, se non impossibile, produrre un vaccino che protegga da tutti i virus responsabili del raffreddore. I virus del raffreddore si trasmettono per via aerea, tramite le goccioline emesse con gli starnuti o i colpi di tosse, e il contagio è favorito in condizioni di freddo intenso, quando la gente tende ad affollarsi al chiuso, facilitando, così, la trasmissione del virus da un individuo all'altro. Terapia Non è nota alcuna cura per il raffreddore, né è stato ancora scoperto alcun farmaco preventivo. Il chimico e premio Nobel statunitense Linus Pauling aveva ipotizzato che forti dosi di vitamina C potessero abbreviare la durata del raffreddore e alleviarne i sintomi, ma numerosi studi non sono riusciti a confermare tale ipotesi. Ciononostante, la vitamina C potrebbe comunque avere un ruolo nella difesa dell'organismo contro il raffreddore, in quanto sembra sostenere il sistema immunitario e ridurre l'infiammazione. Attualmente la terapia del raffreddore è tesa ad alleviare i sintomi con preparati da banco, in particolare quelli contenenti acido acetilsalicilico. Inoltre, esiste tutta una serie di rimedi in grado di alleviare i sintomi del raffreddore, ma non di abbreviarne la durata. Vengono spesso raccomandati il riposo a letto per evitare complicanze, anche quando il raffreddore di per sé non è invalidante, nonché bere molti liquidi. È, invece, assolutamente inutile, se non nocivo, assumere antibiotici, in quanto i raffreddori sono causati da virus e non da batteri. Gli antibiotici possono essere utili solo nel caso in cui il soggetto presenti, oltre al raffreddore, anche un'infezione batterica secondaria oppure un'infezione primaria della gola causata da streptococchi, come la tonsillite.