Circolo respiratorio

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1 APPUNTI PER IL LICEO SPORTIVO - MATERIA: DISCIPLINE SPORTIVE Circolo respiratorio A cura del Prof. Danilo Diana dell IISS A.Righi Taranto Per Circolo respiratorio intendiamo il percorso che compiono i gas fondamentali per la respirazione, come l ossigeno ( ) e l anidride carbonica (C ) dal momento in cui vengono prelevati dall aria atmosferica e introdotti nell organismo tramite la inspirazione, per essere utilizzato dalle cellule, fino al momento in cui ritornano nell atmosfera grazie all espirazione. Quindi il percorso è: dall aria atmosferica, al naso, alla faringe, alla laringe, alla trachea, ai bronchi, agli alveoli polmonari, quindi al sangue fino alle cellule del nostro corpo e ritorno tramite le stesse vie. Aria atmosferica L aria atmosferica è composta da corpuscoli solidi in sospensione (polveri) e da tre gas fondamentali. L caratterizza il 20,93% e l C solo lo 0,03% dei gas atmosferici e sono quelli di interesse respiratorio. L azoto costituisce il 79,04% dell aria atmosferica ma essendo un gas inerte non partecipa ai processi metabolici dell organismo e non ha alcun ruolo nello scambio gassoso del circolo respiratorio. Una percentuale poco significativa è riservata ad altri tipi di gas. L aria, a livello del mare, esercita una pressione totale pari a 760 millimetri di mercurio (mmhg), cioè tutti i suoi componenti (gas e polveri), se considerati in un cm 2 peserebbero 1Kg. La percentuale di circa il 21% di La pressione parziale (2). Un gas si muove in obbedienza ad un gradiente di pressione. La differenza di pressione esistente tra l contenuto nell aria alveolare e quello contenuto nel sangue è sufficiente a spingere il gas attraverso le membrane fino a giungere al sangue. Ugualmente dicasi per la C ma nel verso contrario. rimane costante in atmosfera fino ad una quota di 13500m sul livello del mare (4). Ciò che cambia invece è la pressione parziale dell che diminuisce man mano che si sale di quota. Se a livello del mare la pressione parziale dell in atmosfera è di 149mmHg, a 1000m si abbassa a 140mmHg e a 2000m diventa 115mmHg (4). Questo accade perché con l altitudine diminuisce la densità dell aria (o resistenza dell aria) a causa della diminuzione del numero di molecole di gas per unità di volume di aria. Nell aria che si trova negli alveoli la quantità di è del 14-15% (corrispondente ad una pressione parziale di circa 100mmHg), invece la pressione parziale dell nel sangue venoso è sensibilmente inferiore, ecco perché l diffonde dagli alveoli verso il sangue ossigenandolo. Viceversa avviene per l C. Naso e fosse nasali. Prima che l aria arrivi ai polmoni dove avviene lo scambio gassoso, deve percorrere le vie respiratorie ( o vie aeree) che non partecipano alla vera e propria respirazione e che sono distinte in vie respiratorie superiori e inferiori. Il meccanismo dell inspirazione richiama l aria atmosferica che entra nell organismo attraverso le narici e le fosse nasali. L ingresso attraverso il naso offre una serie di vantaggi (controlli e preparazioni dell aria) che sono presenti solo in parte nella respirazione orale (attraverso la bocca). Ma poiché la resistenza aerodinamica nella respirazione orale è circa la metà di quella nasale, quando è necessario un grande volume respiratorio nell unità di tempo, si è costretti a ricorrere anche alla respirazione orale. Nel naso l aria viene purificata, preriscaldata, inumidita e controllata grazie all olfatto. All inizio degli anni 90 è stato ideato il cerotto nasale la cui utilità è stata dimostrata scientificamente. Infatti in alcuni atleti agisce abbassando la resistenza respiratoria durante la respirazione nasale migliorando il rendimento della ventilazione, sia negli sport di resistenza che nei giochi sportivi. L efficacia del cerotto è maggiore in atleti col naso stretto che riescono a compiere così un minore lavoro respiratorio. La purificazione dell aria avviene, da un lato, passivamente, grazie alla superficie umida (coperta di muco) delle mucose nasali, alle quali restano attaccate circa l 80% delle particelle di polvere e dei batteri. Dall altro lato la purificazione dell aria è realizzata attivamente grazie all epitelio ciliato (presente fino alla trachea) le cui ciglia vibratili spingono le particelle verso la trachea e le eliminano attraverso di essa con la espirazione o con lo starnuto e il colpo di tosse. Alla fine del percorso nelle vie aeree superiori e inferiori il 99% delle polveri inalate è eliminato. Quando queste modalità di purificazione dell aria sono danneggiate, come spesso accade nei fumatori, minatori, muratori, marmisti, ecc., si possono sviluppare infiammazioni della mucosa o malattie come la silicosi. Il riscaldamento dell aria avviene grazie alla ricca irrorazione sanguigna presente nelle fosse nasali che adattano la temperatura dell aria a quella corporea. 1

2 L umidificazione dell aria è regolata attraverso le secrezioni delle mucose. In pratica l aria secca viene umidificata grazie alla mucosa che quindi tende ad asciugarsi. Faringe. La faringe rappresenta un punto di passaggio che collega le fosse nasali (collegate con i seni paranasali e l orecchio medio) con la laringe. Al centro della faringe si incrociano le vie respiratorie con quelle digestive, l aria tende a dirigersi ventralmente nella laringe e il cibo dorsalmente nell esofago. Laringe. L accesso alla laringe è protetto dalla epiglottide che durante la deglutizione si sposta in alto impedendo al cibo di penetrare nella trachea. Inoltre la laringe svolge un importante ruolo nella fonazione (formazione della voce) grazie ad un complesso sistema di muscoli e legamenti che si inseriscono nella cartilagine di cui è composta. Trachea. E un condotto lungo circa 11cm e largo 2cm formato da anelli cartilaginei aperti posteriormente a forma di C, collegati tra loro da brevi legamenti elastici e dorsalmente da muscolatura liscia. L epitelio ciliato di cui è dotata la superficie interna contribuisce alla purificazione dell aria facendo risalire le particelle di polvere che giungono ai polmoni. Bronchi. All altezza della 4ª vertebra toracica, la trachea si suddivide nei due bronchi principali, che nei polmoni si diramano (circa volte in ciascun lato dei polmoni) in rami sempre più piccoli e infine terminano negli alveoli polmonari. Si formano così circa un milione di rami terminali ai quali sono attaccati un numero molto variabile, da individuo a individuo, di alveoli (da 60 milioni a 1 miliardo) (3). La bronchite cronica dei fumatori provoca gonfiore delle mucose, una maggiore formazione di muco e una ipertrofia dei muscoli bronchiali e, quindi, un notevole aumento della resistenza di queste vie respiratorie al passaggio dell aria. Questo comporta un drastico aumento del lavoro respiratorio (6). Polmoni. L elemento funzionale dei polmoni è rappresentato dagli alveoli polmonari (Fig.1) di cui solo il 10% è sufficiente allo scambio gassoso di una persona sana e a riposo, la restante parte è disponibile come riserva funzionale. Ogni alveolo (paragonabile, nell adulto, ad una palla di diametro 0,2mm contenuta all interno del canestro chiuso di basket ) è servito da circa 1000 segmenti capillari (immaginiamo la retina del canestro che avvolge la palla). L ossigeno per passare dall alveolo al sangue attraversa una barriera sottilissima (circa 1µm o micrometro cioè 0,001mm ) costituita dalla parete alveolare e quella dei capillari. Gli alveoli rappresentano l ultima barriera per le particelle di polvere inalate (quelle più piccole), grazie alla presenza di cellule (fagociti alveolari) sulla superficie alveolare, deputate all assorbimento e all eliminazione di tali particelle tramite il flusso ematico. I polmoni sono rivestiti da una sottile membrana connettivale (pleura) che è formata da due foglietti. Quello interno ricopre direttamente la superficie dei polmoni (pleura viscerale) mentre quello esterno aderisce perfettamente alla superficie interna della gabbia toracica (pleura parietale). Tra i due foglietti c è uno spazio sottilissimo (da 1 a 20mm) riempito da un liquido sieroso (liquido pleurico). I due foglietti quindi aderiscono saldamente l uno all altro, senza perdere il loro potere di scorrimento; un po come due lastre di vetro che aderiscono tramite una superficie bagnata. La quantità o volume di aria che i polmoni possono muovere attraverso la inspirazione/espirazione dipende dall età, dal sesso, dallo stato di allenamento, dalla statura e dal peso corporeo. Questa cosiddetta Capacità Polmonare Totale, si suddivide in quattro parti (vedi Fig.2) normalmente misurabili con una spirometria, e sono (5): 1. IL VOLUME CORRENTE (VC). Volume di aria che viene introdotta ad ogni inspirazione normale a riposo e corrisponde a circa 500cm 3 di aria, ovvero a ½ litro. 2. IL VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (VRI). Volume di aria che può essere introdotto dopo un massimo sforzo inspiratorio e corrisponde a circa 2000cm 3 di aria, ovvero a 2 litri. Fig.1 Sotto sforzo A riposo Fig.2 2

3 Capillare Polmonare Capillare Tissutale 3. IL VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (VRE). Volume di aria che può essere espulso con un massimo sforzo espiratorio e corrisponde a circa 1500cm 3 di aria, ovvero a 1,5 litri. 4. IL VOLUME RESIDUO (VR). Volume di aria che rimane nei polmoni anche dopo una massima espirazione e corrisponde a circa 1200cm 3 di aria. La quantità di aria che può essere introdotta ed espulsa col massimo sforzo viene denominata Capacità Vitale (CV) e corrisponde alla somma VC+VRI+VRE. La CV nelle donne è in media di 3,5litri e negli uomini di 4,5litri e aumenta con l allenamento. Sangue. L ossigeno alveolare dopo aver attraversato la membrana dell alveolo e la membrana del capillare (compreso lo spazio esistente tra le due membrane) entra nel plasma sanguigno, raggiunge il globulo rosso dove si lega chimicamente al ferro contenuto nell eritrocita per formare una proteina chiamata emoglobina. Quindi l viene trasportato in due modi: 1) la maggior parte dell circolante nel sangue è contenuto nei globuli rossi sottoforma di emoglobina; 2) una minima parte è disciolta nel plasma in soluzione fisica. Il sangue dopo aver ceduto il suo carico di ossigeno ( ) preleva dalle cellule tissutali l anidride carbonica (C ) da trasportare agli alveoli per la successiva espulsione in atmosfera. L C viene trasportata in tre modi: 1) combinata chimicamente con l emoglobina all interno del globulo rosso; 2) sottoforma di bicarbonato nel plasma; 3) in semplice soluzione fisica nel plasma. Nella situazione di esercizio fisico, prima ancora che gli adattamenti cardiocircolatori e respiratori consentano un maggiore afflusso di ossigeno ai tessuti e parallelamente un maggior deflusso di anidride carbonica, a livello cellulare queste stesse funzioni cominciano a realizzarsi grazie alle pressioni parziali dei due gas che variano in funzione dell intensità dell esercizio fisico. In pratica la produzione di C nelle cellule muscolari dovuta al lavoro muscolare fa si che, prima ancora che aumenti la gettata cardiaca e la frequenza respiratoria, si verifichi un aumento del trasporto di dal sangue alle cellule grazie ad una serie di reazioni chimiche che anticipano il maggiore ingresso di nelle cellule da parte della dinamica cardiaca e ventilatoria. Cellule. Quando il sangue arterioso raggiunge i capillari del tessuto muscolare, l emoglobina cede una parte del suo carico di ossigeno (circa il 25% in condizioni di riposo), la restante parte è a disposizione nel caso in cui aumenti l attività tissutale (come per esempio durante l attività fisica). Per facilitare il trasferimento dell dentro la cellula, le fibre muscolari sono caratterizzate dalla presenza di un pigmento, la mioglobina, che opera attraverso un processo attivo, e non per semplice diffusione. Le molecole di vengono così cedute da una molecola di mioglobina all altra con un procedimento di comandata al secchio (1) e trasferite nei mitocondri dove l è impiegato nei processi di formazione dell energia. Polmoni Plasma C C Schema di come l entra nel sangue dagli alveoli e l C abbandona il sangue. Globulo rosso C Spazio tissutale Plasma Globulo rosso C C C Schema di come l diffonde dal sangue alle cellule tissutali, mentre l C si sposta dalle cellule dei tessuti al sangue. 3

4 IL LAVORO RESPIRATORIO. Per lavoro respiratorio si intende l energia spesa per consentire all aria, contenente i gas respiratori, di transitare attraverso le vie respiratorie Questa energia serve per il 64% a vincere le resistenze elastiche dell apparato locomotore (ossa, muscoli, tendini, legamenti del torace) e per il 36% a contrastare le resistenze ventilatorie costituite prevalentemente dalla resistenza al flusso all interno delle vie Fig.3 respiratorie superiori e inferiori (attriti). La ventilazione polmonare (inspirazione ed espirazione) si realizza grazie alla muscolatura del tronco, in particolare nella Respirazione Toracica, l espansione della gabbia toracica avviene tramite il sollevamento delle coste mosse dai muscoli intercostali esterni. Le coste ruotano verso l esterno e si sollevano, per cui si produce un aumento del diametro trasversale e sagittale del torace, quindi del suo volume. L abbassamento delle coste durante l espirazione forzata è sostenuta dalla contrazione dei muscoli intercostali interni. Il diaframma (linea rossa nella Fig.3), un largo muscolo che divide la cavità toracica da quella addominale, rappresenta il motore della Respirazione Addominale. Nella contrazione la cupola del diaframma si abbassa appiattendosi, aumentando così il volume della cavità toracica tramite l aumento del suo diametro longitudinale. Esistono altri muscoli, detti respiratori accessori che contribuiscono alla ventilazione, e sono: Nella inspirazione: tutti i muscoli che sollevano le coste, tra cui i muscoli sternocleidomastoidei, scaleni e i grandi pettorali (se le braccia sono alzate). Nella espirazione: tutti i muscoli che abbassano le coste, tra cui il muscolo retto addominale, gli obliqui esterni ed interni dell addome. Come tutti i muscoli anche questi per funzionare consumano energia, in particolare nella respirazione a riposo (in stato di veglia con modesta attività fisica) il consumo energetico per la ventilazione corrisponde circa all 1% del metabolismo basale giornaliero. Il ritmo e la profondità ventilatoria aumentano durante il carico fisico fino a richiedere un costo energetico pari al 25-30% del metabolismo basale (7). LA RESPIRAZIONE COMPRESSIVA. Nella respirazione compressiva l aria viene spinta contro la glottide chiusa e ciò può essere provocato volontariamente (manovra di Valsalva), o anche involontariamente durante attività sportive che pongono esigenze elevate di forza (sollevamento pesi)(8). Fino a carichi del 15% della Massima Contrazione Volontaria, non si produce ancora una rilevante compressione dei vasi sanguigni all interno della muscolatura. Solo a partire dal 70% si produce una completa compressione dei vasi con diminuzione della capacità di irrorazione sanguigna. Si determina così una situazione metabolica di tipo anaerobico che attiva il sistema nervoso simpatico in reazioni eccitatorie (come l aumento della contrattilità del tessuto muscolare del cuore, funzionale a vincere l aumentata pressione sanguigna periferica). Lo sforzo massimo produce una riduzione temporanea della portata cardiaca (8) per questo tale sollecitazione, associata ad una respirazione compressiva, deve essere evitata dai soggetti a rischio coronarico (13) o da persone con fenomeni di sclerosi vascolare (13), in gravidanza (10), nell attività per l anziano (11) e per i bambini (12), e in generale nell attività di forza come allenamento per la salute (9). La respirazione compressiva determina una carenza di flusso sanguigno al cervello e pertanto può causare fenomeni di collasso. In un atleta allenato, la respirazione compressiva, non determina particolari problemi ed è addirittura necessaria per sviluppare espressioni di forza massima. La forza sviluppata dalla contrazione muscolare è minore durante l inspirazione, leggermente superiore durante la espirazione, e aumenta ancor di più se si trattiene il respiro. GLI ADATTAMENTI DEL SISTEMA RESPIRATORIO ALL ATTIVITÁ FISICA. L allenamento porta ad un miglioramento della regolazione della ventilazione, quindi, ad una maggiore economia globale della respirazione. In pratica un soggetto allenato, all inizio del carico, adatta più rapidamente 4

5 la sua ventilazione alle necessità di ossigeno soprattutto attraverso un incremento rapido del Volume Corrente che, da un lato, opera un maggior sfruttamento dell aria del cosiddetto spazio morto e in seconda battuta, grazie alla minore frequenza respiratoria, produce una diminuzione dei costi energetici (14). Gli adattamenti più evidenti si hanno, naturalmente, nei soggetti allenati alla resistenza, nei quali al termine del carico fisico, la respirazione si normalizza più velocemente tornando ai valori iniziali di riposo. Siccome tra i 12 e i 16 anni di età si ha un notevole aumento della massa e della superficie degli alveoli polmonari, in questo periodo, un allenamento della resistenza porta allo sviluppo di un polmone più funzionale e, parallelamente, ad una maggior crescita della gabbia toracica (14). Oltre ad una maggiore ipertrofia della muscolatura respiratoria, il lavoro di capacità aerobica e anaerobica produce un aumento dell attività enzimatica che migliora ulteriormente il rendimento del sistema respiratorio. Nei soggetti allenati sono meno evidenti i fenomeni di disturbo che condizionano la respirazione, come il dolore al fianco e il cosiddetto punto morto. Il dolore al fianco (più spesso il fianco destro) è provocato da una carenza di rifornimento di ossigeno al diaframma, per scarso adattamento al carico fisico. Il punto morto è anch esso determinato da scarso adattamento al carico fisico, Lo spazio morto (15). Si definisce spazio morto quella parte delle vie respiratorie che serve alla conduzione dell aria che non partecipa allo scambio gassoso (naso, bocca, faringe, laringe, trachea, bronchi). Il volume dello spazio morto è di circa 150ml, quindi a riposo con un volume corrente (VC) di 500ml, solo 350ml di aria (70% = ventilazione alveolare) entrerà effettivamente nei polmoni per gli scambi gassosi, mentre i restanti 150ml di aria ( 30% = ventilazione dello spazio morto) non saranno utilizzati. Durante il carico fisico, quando il VC aumenta anche a 3000 ml, la percentuale della ventilazione dello spazio morto scende a 5% con grande vantaggio per la prestazione. con insufficiente rifornimento di ossigeno ai muscoli interessati dal carico e si manifesta con una crisi funzionale che interviene in un tempo molto variabile dall inizio del carico (da mezzo minuto a sei minuti). Si avverte grande pesantezza muscolare, un notevole affanno, un senso di debolezza e il desiderio di interrompere lo sforzo. Per evitare questi due fenomeni di disturbo è raccomandabile un adeguato riscaldamento specifico. A proposito dei volumi respiratori, il soggetto allenato possiede una Capacità Vitale (CV) maggiore del sedentario. A causa della crescente rigidità della gabbia toracica e della minore elasticità dei polmoni, con l età il valore della CV tende a diminuire (a 60 anni è circa la metà del valore in età giovanile), ma nel soggetto anziano allenato diminuisce meno di quanto non avvenga in persone non allenate di pari età (5). Prof. Danilo Diana (agosto 2016) Bibliografia 1. Compendio di fisiologia umana. L.L.Langley. Ed. Vallardi Pag Ibidem pag Biologia dello sport. J.Weineck. Calzetti Mariucci Pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag Ibidem pag

6 MAPPA RIASSUNTIVA DEGLI ARGOMENTI Respirazione esterna o Polmonare Naso e fosse nasali Aria atmosferica Naso e fosse nasali Laringe Faringe LAVORO RESPIRATORIO Vie aeree superiori Faringe Laringe Trachea Spazio morto RESPIRAZIONE COMPRESSIVA Vie aeree inferiori Trachea Bronchi Polmoni ADATTAMENTI RESPIRATORI ALL ATTIVITÁ FISICA Polmoni Bronchi Sangue Sangue Cellule Respirazione interna o Cellulare 6