Lo scambio gassoso alveoli/sangue

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1 Sistema respiratorio Superiore (bocca, cavita nasale, faringe e laringe) Inferiore (trachea, bronchi, polmoni) Quest ultimo e racchiuso nel torace, circondato dalle costole, la spina dorsale ed il diaframma Faringe Corde vocali Esofago Polmone destro Bronco destro Diaframma Cavità nasale Lingua Laringe Polmone sinistro Bronco sinistro Funzione primaria e l ottenimento dell O 2 dall aria per l uso delle cellule del corpo, e l eliminazione del CO 2 che le cellule producono Lo scambio gassoso alveoli/sangue Lo scambio dei gas O 2 e CO 2 tra gli alveoli e il sangue avviene per semplice diffusione. L O 2 diffonde dagli alveoli al sangue e il CO 2 diffonde dal sangue agli alveoli. Cio e ottenuto attraverso la respirazione, che serve a mantenere la concentrazione (o pressione) dell O 2 maggiore negli alveoli rispetto al sangue e viceversa la concentrazione di CO 2 minore negli alveoli rispetto al sangue. 1

2 Ramificazione del flusso d aria Cammino dell aria verso gli alveoli polmonari: cavita nasali (o cavita orale) faringe trachea bronchi primari (sinistro e destro) bronchi secondari bronchi terziari bronchioli alveoli (sito dello scambio dei gas) La trachea si suddivide nei due bronchi. Ciascun bronco si suddivide ancora 22 volte per terminare alla fine in un gruppo di alveoli. Ogni polmone contiene circa 150 milioni di alveoli polmonari Superficie di scambio (cm 2 ) Evoluzione strutture per lo scambio dei gas Con l aumentare della complessita e delle dimensioni dell organismo, si ha un progressivo sviluppo del sistema vascolare sanguigno e del polmone multi-alveolare che serve ad aumentare l area della superficie di scambio gassoso tra capillari e alveoli Org. unicellulare 2

3 Anatomia - Il polmone destro e diviso in 3 lobi, il sinistro in 2 lobi, che accomodano la nicchia cardiaca - Ciascun polmone e racchiuso in 2 membrane pleuriche (viscerale e parietale) nella cavita toracica. Il fluido pleurico e lo spazio pleurico sono molto piu piccoli di come appare in figura. L esofago e l aorta passano attraverso il torace tra le sacche pleuriche Polmone destro Esofago Polmone sinistro Spazio intrapleurico Cavità pleurica destra Cavità pericardica Cavità pleurica sinistra Membrane pleuriche Muscoli della respirazione La respirazione è un processo atttivo indotto dai muscoli respiratori Muscoli della inspirazione: diaframma (l unico coinvolto nella respirazione tranquilla), intercostali esterni, sternocleidomastoideo e muscoli scaleni Muscoli della espirazione: intercostali interni e addominali 3

4 Respirazione tranquilla Il diaframma e l unico muscolo coinvolto p. 211 A riposo, il diaframma e rilassato Inspirazione: il diaframma si contrae ed il volume toracico aumenta. I polmoni si gonfiano automaticamente quando si contrae il diaframma Respirazione intensa La respirazione intensa, volontaria, richiede la contrazione dei muscoli scheletrici.intercostali esterni. che si contraggono insieme al diaframma durante l inspirazione e quella dei muscoli intercostali interni e addominali durante l espirazione Contraz. muscoli intercostali esterni: elevazione delle costole e dello sterno aumento dimensioni orizzontali cavita toracica Contraz. muscoli intercostali interni : abbassamento delle costole e dello sterno, diminuzione dimens. orizzontali cavità toracica Muscoli intercostali Colonna vertebrale Costa Sterno Muscolo intercostale esterno Muscolo intercostale interno 4

5 Pressione intrapleurica E una pressione negativa (minore di quella atmosferica) che mantiene il polmone attaccato alla gabbia toracica Inspirazione Pressione alveolare Espirazione (patm) Pressione intrapleurica Pressioni polmonari (relative alla patm): - Pressione alveolare (p a ) - Pressione intrapleurica (p i ) - Pressione transpolmonare (p t =p a -p i ) Durante l inspirazione: aumento di volume della gabbia toracica aumento volume pleurico diminuz. p i aumento volume polmonare Volume d aria Polmone normale a riposo Costole Pneumotorace p.212 Se attraverso un taglio della parete toracica o della parete polmonare, entra aria nello spazio intrapleurico, la pi va a zero (cioe la pressione assoluta diventa uguale alla pressione atmosferica, ed il polmone collassa Spazio intrapleurico Membrane pleuriche Diaframma La p i negativa fa in modo che la struttura polmonare elastica (che altrimenti tenderebbe a collassare) rimanga gonfia fino al limite della gabbia toracica Membrane pleuriche 5

6 Ventilazione polmonare: sequenza degli eventi Inspirazione Contrazione dei muscoli inspiratori Espansione cavità toracica Aumento della negatività della pressione intrapleurica Aumento del volume dei polmoni Riduzione della pressione alveolare al di sotto di quella atmosferica Flusso di aria nei polmoni Espirazione Rilasciamento dei muscoli inspiratori Riduzione volume della cavità toracica Riduzione della negatività della pressione intrapleurica Riduzione della pressione transpolmonare Riduzione del volume dei polmoni Aumento della pressione alveolare al di sopra di quella atmosferica Flusso uscente di aria dai polmoni Struttura del bronco e sistema di trasporto mucociliare Funzioni: 1) riscaldamento e umidificazione aria 2) distribuzione aria nei polmoni 3) difesa dell organismo Cellule epiteliali e cellule mucose. Le ciglia delle cellule epiteliali del bronco trasportano il muco, verso la faringe, proteggendo l organismo da particelle estranee presenti nell aria. Il movimento ciliare e fortemente danneggiato dal fumo particelle muco ciglia cellule mucose cellule epiteliali membrana basale 6

7 - Le vie aeree terminano nei lobuli polmonari, che contengono un certo numero di dotti alveolari e sacchi ( grappoli ) alveolari. - Ogni alveolo è circondato da molti capillari alveolari dove circola sangue venoso in arrivo dal cuore (arteria polmonare). A questo livello si ha l ossigenazione del sangue Lobuli polmonari Bronchiolo Arteria polmonare, Vena polmonare, Nervo Vena polmonare Fibre elastiche Letti capillari Arteria polmonare Muscolo liscio Vaso linfatico - Il sangue ossigenato torna al cuore attraverso la vena polmonare - La pleura viscerale trasmette la pressione della gabbia toracica agli alveoli Pleura viscerale Cavità pleurica Pleura parietale Struttura alveolare Gli alveoli sono composti di cellule di tipo I per lo scambio gassoso e di tipo II che sintetizzano surfattante. I macrofagi alveolari ingeriscono il materiale estraneo che raggiunge gli alveoli 7

8 Surfattante polmonare Le pareti degli alveoli sono rivestite di un sottile strato di acqua. Questo crea potenzialmente un problema. Le molecole d acqua sono attratte più l una verso l altra che all aria, e questa attrazione crea una forza chiamata tensione superficiale. Questa forza aumenta quanto piu le molecole sono vicine, cioè quando espiriamo e gli alveoli diventano piu piccoli. La tensione superf. potrebbe causare il collasso degli alveoli, rendendo impossibile la ri-espansione del polmone Questo non accade per la presenza di surfattante polmonare, una sostanza tensioattiva (essenzialmente fosfatidilcolina) simile ai saponi, sintetizzata da speciali cellule epiteliali. p.213 Volumi polmonari Spirogramma Volumi e capacita polmonari Minute misurati Volume con = V lo = spirometro V T x resp. rate e.g., 0.5 L/breath x 12 breaths/min = 6 L/min Il volume corrente (circa 500 ml) corrisponde ad una respirazione tranquilla 8

9 Spazio morto Dead Space Spazio morto pieno di aria fresca Aria atmosferica - Il volume delle vie aeree è pari a 150 ml (spazio morto) Fine dell inspirazione Solo 350mL di aria fresca raggiungono l alveolo Espirazione Aria fresca dello spazio morto - Dei 500 ml di volume corrente solo 350 ml raggiunge gli alveoli e partecipa alla ventilazione alveolare. Volume corrente 500 ml Inspirazione Spazio morto pieno di aria stantia alveolare Fine dell espirazione Ventilazione polmonare e ventilazione alveolare Ventilazione polmonare (Volume minuto) = Volume corrente * frequenza respiratoria Ventilazione alveolare = Ventilazione polmonare Ventilazione spazio morto Una respirazione poco profonda, (volume corrente < 150 ml) equivale ad una ventilazione del solo spazio morto, senza ventilazione alveolare) Effetto della frequenza e della profondità di respiro sulla ventilazione alveolare Soggetto Volume corrente (ml) Frequenza (cicli/min) Ventilazione polmonare (ml/min) Ventilazione dello spazio morto (ml/min) Ventilazione alveolare (ml/min) A B C (150*6) 1800 (150*12) 6000 (150=40)

10 COMPOSIZIONE DELL ARIA CHE RESPIRIAMO Legge di Dalton Pressione parziale di un gas in una miscela gassosa= pressione totale * frazione della miscela rappresentata dal gas P gas = P total f gas Aria umida Aria secca Pressione parziale Press. Vapore acqueo = 47mmHg % mm Hg mm Hg O CO N 2 & altro Totale mmhg 713(+vapore) Pressioni parziali alveolari - Il trasporto di O 2 e CO 2 tra alveolo e sangue e tra sangue e tessuti avviene per semplice diffusione ed è guidato dal gradiente di pressione parziale (o concentrazione) Pressioni parziali dei gas nell aria, nell alveolo e nel sangue 10

11 Tessuti Pressioni parziali alveolari Pressione parziale alveolare (mmhg) Ventilazione alveolare (Litri/min) 11

12 Prima legge di Fick sulla diffusione Veloc. di diffusione = dm/dt = D A A = area di diffusione C = concentratione della sostanza x = distanza di diffusione D = coefficiente di diffusione C x Area CO 2 P 2 O 2 P 1 distanza Il trasporto di gas per diffusione e tanto più efficiente quanto più.. Grande area di diffusione Piccolo spessore Nell uomo, l area totale per lo scambio di gas nell alveolo e grande ~ m 2 E lo spessore e piccolo, <1 µm CO 2 O 2 Lo scambio dei gas può avvenire per diffusione semplice secondo gradiente di concentrazione 12

13 Tempo di saturazione in O2 degli eritrociti nei capillari alveolari alveolo Capillare alveolare L eritrocita impiega circa 1 secondo ad attraversare i capillari alveolari (tempo di perfusione) PO 2 nell eritrocita (mm Hg) La saturazione degli eritrociti avviene in sec (tempo di saturazione) tempo di residenza nei capillari alveolari (secondi) Circolazione polmonare. Bilancio ventilazione-perfusione Circolo sistemico Circolo polmonare Flusso del sangue (L/min) Pressione arteriosa (mm Hg) Pressione venosa (mm Hg) L attivita di perfusione del sangue nei capillari polmonari e di ventilazione alveolare sono soggette a diversi meccanismi di controllo. - Durante l esercizio fisico aumenta il ritmo e della pressione cardiaca. - I vasi sanguigni polmonari sono molto piu distensibili dei vasi sistemici e sono in grado per questo di ridurre la resistenza al flusso quando la pressione sanguigna aumenta aumentando quindi la velocita di perfusione 13

14 Adeguamento perfusione-ventilazione per esercizio intenso Durante la fase tranquilla della respirazione i capillari delle basi polmonari sono completamente perfusi, mentre quelli degli apici polmonari vengono reclutati completamente soltanto durante la fase di esercizio intenso in risposta all aumento di pressione del sangue Apici polmonari Basi polmonari Adeguamento perfusione-ventilazione per ipossia alveolare Ventilazione normale Ipossia - In presenza di ipossia locale negli alveoli (mancanza di ossigeno) avviene una vasocostrizione delle arterie polmonari che perfondono l area ipossica. - La riduzione del calibro arterioso aumenta la resistenza al flusso - Questo provoca una ridistribuzione della perfusione verso zone alveolari piu ossigenate adegua la perfusione alla ventilazione 14

15 Ruolo del sistema linfatico - 2 possibili vie di uscita del plasma (flusso di massa) dai capillari polmonari: lo spazio interstiziale & lo spazio alveolare. - Il sistema linfatico permette normalmente un drenaggio adeguato ed evita il pericolosissimo accumulo di liquido nei polmoni (edema polmonare) ed anche l accumulo nello spazio interstiziale che, aumentando lo spessore di diffusione ridurrebbe lo scambio gassoso alveolar Spazio alveolare space arteria Idrostatica P c P i Capillare pulmonary polmonare cap. Spazio interstiziale oncotica π c π i vena lymphatic Flusso linfatico flow Concentrazione di gas nel sangue - Legge di Henry Sistema a 2 fasi: Acqua-aria. All equilibrio, la po 2 nell acqua e nell aria e la stessa. A causa della bassa solubilità dell O 2 pero le concentrazioni non sono uguali Conc. di gas in soluzione = Pressione parziale gas X coeff. solubilita es. [O 2 ] in moli/l: [O 2 ] = PO 2 x SO 2 S CO2 S O2 = 0.3 mmol/l / mm Hg = 0.65 ml/l / mm Hg = 1.37 µmol/l / mm Hg = 0.03 ml/l / mm Hg 15

16 Concentrazione dei gas nel sangue - Il coeff. di solubilita della CO 2 e 20 volte piu grande dell O 2 - Il trasporto dell O 2 libero disciolto nel sangue e limitato dalla sua scarsa solubilita - Per questo si è evoluta nei vertebrati una proteina di trasporto (emoglobina), che invece non e necessaria per la CO 2 Concentrazioni dei gas nel plasma e nell eritrocita tutti I valori sono in ml di gas/100 ml soluzione Nel plasma (ph = 7.4) Nell eritrocita (Hct = 0.45) dissolta combinata dissolta combinata O 2 (at a PO 2 = 100 mm Hg) CO 2 (at a PCO 2 = 40 mm Hg) Proteine di trasporto e immagazzinamento dell O 2 Mioglobina Proteina a singola catena contenente un gruppo prostetico (eme) con un atomo di Ferro in grado di legare l O 2 Presente nelle cellule dei tessuti con il compito di immagazzinare l O2 proveniente dal sangue. Emoglobina Proteina presente nei globuli rossi del sangue contenente 4 catene, 4 gruppi eme 4 siti di legame per l O 2. Ha quindi il compito di legare l O 2 a livello dei capillari polmonari, trasportarlo in circolo e rilasciarlo a livello dei capillari periferici 16

17 Percentuale di saturazione in O2 della Hb / concentrazione di O2 nel sangue p ml O 2 /100 ml di sangue mioglobina emoglobina 1g Hb ha una capacita di trasporto di 1.34 ml O2 e la [Hb] nel sangue = 15g/100 ml Le concentrazioni per la O 2 nel sangue combinata con l Hb si calcolano moltiplicando 1.34*15/100 * moltiplicata ancora per la percentale di saturazione in O 2 della emoglobina Sangue arterioso perc. Saturaz 97% -- [O 2 ] = 20% = 20ml/100ml di sangue 5 Sangue venoso perc. Saturaz 75% -- [O 2 ] = 15% = 15ml/100ml di sangue 0 Cellule attive Tessuti La curva di dissociazione della Hb e spostata a destra da: aumento di H+ aumento di CO2 aumento di T aumento di 2,3 difosfoglicerato p

18 Trasporto della CO 2 Prodotta dai tessuti, trasportata agli alveoli. Partecipa all equilibrio del ph nel sangue e viaggia con tre modalità: gas disciolto, ione carbonato, e legata alla Hb Circolo venoso Tessuti Capillari sistemici Capillari polmonari Alveolo CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3- + H + Anidrasi carbonica Controllo nervoso della ventilazione - Controllo involontario durante la veglia, il sonno ed anche sotto anestesia - Controllo volontario - Influenze sia nervose sia chimiche - La via nervosa involontaria: Tronco encefalico/ bulbo nervo frenico diaframma Area inspiratoria (neuroni I) -> via inspiratoria Area espiratoria (neuroni E) -> via espiratoria - I centri respiratori del bulbo sono stimolati da neuroni del ponte (eccitatori ed inibitori, controllo involontario) e della corteccia (controllo volontario) 18

19 Respirazione tranquilla Volume corrente Attivita dei neuroni respiratori - Durante l inspirazione l attività di scarica sul diaframma dei neuroni inspiratori aumenta costantemente (segnale a rampa) e poi cessa bruscamente per 3 sec, causando l espirazione. Inspirazione Espirazione Inspirazione - La cessazione del segnale a rampa è operata da interneuroni interruttore Controllo del ritmo e della profondità del respiro La modificazione della velocità di salita della rampa determina un cambiamento nella profondità del respiro La modificazione del punto limite in corrispondenza del quale il segnale a rampa cessa determina una modificazione della frequenza respiratoria La modificazione dell attivita dei neuroni respiratori puo essere volontaria (stimoli dalla corteccia) oppure involontaria in risposta a cambiamenti di po2, pco2, ph (stimoli da chemocettori) 19

20 Chemocettori - Neuroni o cellule simili ai neuroni sensoriali: sensibili a variazioni di concentrazione o pressione di sostanze presenti nel plasma o nel liquido cerebrospinale o interstiziale - Controllano l omeostasi dei gas nel liquido interstiziale con meccanismo a feedback sui neuroni respiratori Centrali: Sensibili alle variazioni di pco2 nel liquido cerebrospinale Periferici: Sensibili alle variazioni di po2, pco2 e ph nel plasma Neuroni situati bilateralmente al di sotto della superficie ventrolaterale del bulbo 20

21 Azione dei Chemocettori centrali Sono stimolati dalla variazione di concentrazione nel fluido cerebrospinale di CO 2 Reagiscono in realta all aumento dell acidita indotta dall aumento di CO 2 (a differenza del CO 2, gli ioni H+ del plasma non superano la barriera ematoencefalica) H + Stimolano le aree ritmiche aumentando la frequenza (intervallo tra treni di impulsi) e/o la profondita (numero di impulsi per treno di impulsi) della ventilazione Cellule dei Glomi aortici e carotidei 21

22 Omeostasi di po 2 e pco 2 nel plasma e nel liquido cerebrospinale Neuroni dei Centri respitatori 22

23 Valore normale 23

24 Acclimatazione all alta quota 24

25 Lavoro respiratorio Lavoro = F* s = F/A p * A p s = p t * V p F=forza s =spostamento A p =superficie polmone p t = pressione transpolmonare V p = volume polmonare Forze implicate Estensibilita polmonare: la forza necessaria per espandere il polmone contro le sue proprieta elastiche Resistenza di viscosita del polmone e della parete toracica Resistenza dell aria Principi fisici dello scambio dei gas: Legge dei gas perfetti: PV = nrt Legge di Boyle: 25

26 Tensione superficiale air air air E una forza di attrazione reciproca (forza di coesione) tra le molecole di acqua polari che si manifesta alla interfaccia acqua-aria. La superficie dell acqua tende continuamente a contrarsi (es. goccia) in modo da esporre il minor numero possibile di molecole di acqua all interfaccia acqua-aria L effetto e represso dalla presenza di molecole di surfattante che 1) si dispongono sulla superficie dell acqua, ed 2) hanno debole attrazione reciproca A causa della tensione superficiale, negli alveoli si crea una pressione di collassamento che e maggiore quanto piu il raggio degli alveoli e piccolo Importanza del surfattante x x In presenza di alveoli comunicanti con anche piccole differenze di diametro, l aria comincerebbe a fluire dai piu piccoli ai piu grandi, aumentando sempre piu la differenza di pressione e provocando il collassamento degli alveoli 26

27 Chemocettori centrali: Neuroni situati bilateralmente al di sotto della superficie ventro-laterale del bulbo Sensibili alle variazioni di pco2 Chemocettori periferici: Glomi aortici e carotidei Sensibili alle variazioni di po2, pco2 e ph 27