Scambi gassosi negli alveoli, 1-2 µm di spessore la barriera tra globuli rossi e gas alveolare

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1 Volume che contiengono i polmoni circa 4 l Superficie di scambio come un campo da tennis (85 mq). Rivestiti dalla pleura viscerale e racchiusi dalla pleura parietale. Trachea 2 bronchi principali Bronchi lobari Branche sempre più piccole (bronchioli) Alveoli Scambi gassosi negli alveoli, 1-2 µm di spessore la barriera tra globuli rossi e gas alveolare Diffusione di ossigeno e anidride carbonica

2 Respirazione: automatica sotto il controllo del SNC Controllo da parte del sistema nervoso autonomo: Parasimpatico (costrizione) Simpatico (rilasciamento) Fibre nervose dolorifiche solo nella pleura. Stimolazione parasimpatica: più intensa nelle vie superiori si riduce in periferia, costrizione delle vie aeree, aumento della sintesi di glicoproteine del muco (più denso). Stimolazione simpatica: aumento della secrezione acquosa

3 Controllo centrale della respirazione Tronco dell encefalo centro importante per il controllo della respirazione. Generatore centrale del ritmo: diversi gruppi di neuroni del tronco dell encefalo con proprietà auto-ritmiche. Su questo centro arrivano afferenze da: recettori da stiramento nei polmoni, recettori per l ossigeno dei corpi carotidei, afferenze da ipotalamo e amigdala.

4 Muscoli della respirazione Diaframma, intercostali esterni e scaleni Inspirazione: contrazione del diaframma, protrude nella cavità addominale, crea una pressione negativa nel torace. Respirazione tranquilla 1 cm di escursione del diaframma Atto respiratorio profondo 10 cm

5 Muscoli intercostali esterni: durante l inspirazione sollevano le coste verso l alto e esterno. Muscolo scaleno (solleva la regione sternocleidomastoidea) e ali del naso (allargano le narici) non lavorano nella respirazione tranquilla. Fase espiatoria: passiva nella respirazione tranquilla, attiva durante l esercizio o iperventilazione. Muscoli espiratori: retto dell addome, obliquo interno e esterno, trasverso addominale e muscoli intercostali interni

6 Volumi polmonari Capacità polmonare totale (CPT) è data dalla somma di tutti i volumi polmonari Volume corrente VC: volume che viene ventilato ad ogni atto respiratorio Capacità vitale: volume di aria espirata con espirazione completa dopo inspirazione massima Volume residuo (VR): ml aria che rimane nei polmoni alla fine di un espirazione completa. CPT = capacità vitale + VR Capacità funzionale residua (CFR): volume di aria presente nei polmoni alla fine di una normale espirazione durante respirazione tranquilla. VRE volume di riserva espiratoria : quantità massima di aria che può essere espirata con espirazione forzata che continui un espirazione normale ml

7 Determinanti del volume polmonare Cosa determina il volume d aria alla CPT (capacità polmonare totale) o al VR (volume residuo)? Gabbia toracica e polmoni si muovono insieme I volumi polmonari sono determinati dall equilibrio tra proprietà di retrazione elastica dei polmoni e proprietà dei muscoli della parete toracica.

8 Membrana respiratoria (membrana alveolo-capillare) Spessore 0,5-4 µm

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11 Capacità di diffusione dell ossigeno Volume di ossigeno che attraversa la membrana respiratoria in 1 min con una differenza di pressione di 1 mmhg A riposo 23 ml di ossigeno/min per ogni mmhg La capacità di diffusione dell ossigeno aumenta durante l esercizio -a riposo circolazione polmonare inefficiente, lenta Perfusione limitata delle parti superiori dei polmoni -Con esercizio aumento della pressione arteriosa e quindi della circolazione polmonare Atleti con grande capacità aerobica hanno grande capacità di diffusione dell ossigeno dovuta a: Maggiore gettata cardiaca, maggiore superficie alveolare, minore resistenza alla diffusione

12 CO 2 Differenza di pressione parziale di 6 mmhg ma coefficiente di diffusione 20 volte maggiore a quello dell ossigeno

13 Trasporto di ossigeno Disciolto e legato all emoglobina Effetto del ph e temperatura sulla curva di dissociazione ossigeno-emoglobina Diminuzione del ph spostamento verso destra. Con ph basso diminuisce l affinità per l emoglobina Es. Tessuto muscolare attivo Es. Polmoni Aumento della temperatura: la curva si sposta verso destra. Es. Tessuto muscolare attivo Es. Polmoni

14 Capacità di trasporto dell ossigeno Dipende dal contenuto di emoglobina 100 ml di sangue: gr di emoglobina nell uomo gr di emoglobina nella donna 1 gr di emoglobina 1,34 ml di ossigeno Capacità di trasporto ridotta ad esempio in individui con anemia.

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16 Questo fattore facilita la cessione di ossigeno da parte dell emoglobina Si lega con la Deossiemoglobina in proporzione di 1:1 diminuendone così l'affinità per l ossigeno. L esercizio prolungato aumenta la produzione di 2,3 difosfoglicerato.

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18 Scambio gassoso nei muscoli Nei muscoli attivi si raggiunge Una diff a-v O 2 di ml/100ml di sangue Fattori che influenzano la distribuzione e assorbimento di ossigeno 1) Contenuto di ossigeno nel sangue 2) Entità del flusso ematico 3) Condizioni locali

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21 Regolazione della ventilazione polmonare. Centri respiratori nel tronco Dell encefalo, attività ritmica. Stabiliscono la frequenza e la profondità del respiro. Influenza di diversi fattori (vedi fig.) Controllo volontario del respiro Quando aumenta l anidride carbonica, H + e diminuisce l ossigeno, la respirazione deve Necessariamente ripartire.

22 Ventilazione polmonare durante l esercizio fisico. Aumento in 2 fasi: -Fase veloce, prima che subentri un controllo chimico, la corteccia motoria interviene aumentando la respirazione Feed-back propriocettivo dai muscoli e articolazioni attive. -Fase tardiva, modificazioni di temperatura e modificazioni chimiche del sangue Recupero respiratorio richiede alcuni minuti.

23 Problemi collegati con la respirazione. Dispnea: (respiro corto), aumento di anidride carbonica e H +, aumento della frequenza e profondità del respiro, affaticamento dei muscoli Respiratori. Iperventilazione: ansia per la prova, o volontaria es. prima dell apnea. Diminuzione di PCO 2 negli alveoli da 40 mmhg a 15 mmhg. Riduzione del desiderio di respirare, la PO 2 scende pericolosamente!!! Manovra di Valsalva: l aria viene pressurizzata nei polmoni.

24 Consumo di ossigeno con carico incrementale Relazione lineare tra intensità di lavoro e consumo di ossigeno La linearità si perde quando il soggetto è in grado di aumentare l intensità dopo il VO2max Fase di plateau (Zoladz 2001): nel plateau, aumento ventilazione polmonare, aumento temperatura muscolare, accumulo di lattato, diminuzione di ph, reclutamento delle fibre di tipo II Perdita di efficienza meccanica muscolare.

25 Consumo di ossigeno con carico costante Prima fase di aumento rapido (cardiodinamica). Seconda fase monoesponenziale. Terza fase di plateau. Ad intensità elevate il plateau può non esserci. Minor efficienza di contrazione Componente lento del VO2, dovuto al reclutamento di unità motorie addizionali tipo I e II.

26 Equivalente ventilatorio per l ossigeno = Ve/VO 2 Ve = volume di aria ventilata VO 2 = quantità di ossigeno consumato dai tessuti in un determinato tempo Litri di aria respirata per litri di ossigeno consumati al minuto A riposo: L per litro di ossigeno consumato 30 L ad intensità massimale Punto di rottura ventilatorio (Soglia ventilatoria) Aumento sproporzionato della ventilazione rispetto al consumo di ossigeno

27 Dovuto ad un aumento della CO 2 Tamponamento dei lattati derivanti dalla glicolisi anaerobica La soglia ventilatoria viene definita anche soglia anaerobica. Acido lattico + NaHCO 3 Na lattato + H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

28 Soglia del lattato: Intensità di esercizio o consumo di ossigeno che precede immediatamente l incremento iniziale e continuo dell acido lattico ematico rispetto ai valori di riposo. (circa 1 mm) OBLA (onset of blood lactate accumulation): valore di VO 2 al quale la concentrazione di lattato supera 4 mm Di solito OBLA indica la potenza massima che un soggetto può mantenere per un tempo prolungato OBLA dipende da diversi fattori e può variare nei diversi tipi di esercizio.

29 OBLA e VO 2 max sono indipendenti Soggetti allenati OBLA a valori di VO 2 max più elevati OBLA cambia anche se VO 2 max rimane stabile OBLA dipende dal tipo di fibre, dalla densità capillare, dal numero e dimensioni dei mitocondri e dalle concentrazioni enzimatiche. VO 2 max dipende dalle capacità del sistema cardiovascolare e dalla massa totale di muscolatura attivata.

30 Determinazione dell inizio del metabolismo anaerobico Wasserman e colleghi Si può definire la soglia anaerobica basandosi su uno dei seguenti criteri: 1) Aumento di acido lattico nel sangue 2) Diminuzione del ph e bicarbonati nel sangue arterioso 3) Aumento del quoziente respiratorio (R). (rapporto tra CO 2 eliminata e O 2 assunto) Acido lattico + NaHCO 3 Na lattato + H 2 CO 3 H 2 O + CO 2

31 Il modo più preciso per identificare la soglia anaerobica è quello di monitorare l equivalente respiratorio per O 2 e CO 2 Non sempre la soglia anaerobica coincide con la soglia lattacida.

32 Misura della soglia lattacida Intensità di esercizio o consumo di ossigeno che precede immediatamente l incremento iniziale e continuo dell acido lattico ematico rispetto ai valori di riposo. -Indice dello stato di allenamento -Indice predittivo delle prestazioni in esercizi di resistenza -serve per stabilire l intensità di allenamento. Indicatori: Concentrazione di lattato ematico Soglia ventilatoria Relazione lattato-vo 2

33 Alcuni studi dimostrano che non c è relazione tra PO2 intracellulare e i livelli di lattato nel sangue. Esiste una relazione molto più forte tra Adrenalina e noradrenalina ematica e livelli di lattato!! L adrenalina attraverso i recettori Beta stimola la glicogenolisi nel muscolo e porta ad alti livelli di lattato. Ha un effetto più intenso rispetto alla diminuzione di PO2 L Adrenalina e Noradrenalina hanno lo stesso andamento del lattato ematico in un lavoro di tipo incrementale!!!

34 Limitazioni respiratorie alla prestazione fisica A riposo i muscoli respiratori consumano il 2% dell energia totale Durante attività fisica si può arrivare all 11% di consumo di O 2 con un 15% di gettata cardiaca Nell impegno massimale non si arriva alla massima respirazione volontaria. Negli individui altamente allenati per la resistenza si può arrivare ad un livello di Ipossiemia arteriosa indotta da attività fisica

35 Resistenza Adattamenti cardiorespiratori all allenamento Allenamento 12 mesi Resistenza muscolare Resistenza cardiorespiratoria Capacità di resistenza massimale: VO 2 max o potenza aerobica VO 2 max : tasso di consumo di ossigeno più elevato che si può raggiungere durante un esercizio massimale che porta ad esaurimento Allenamento per la resistenza di 6 mesi su soggetti non allenati, aumento del 15-20% L allenamento per la resistenza migliora la capacità di resistenza sub-massimale. Più difficile da misurare Dipende dalla VO 2 max e dalla soglia del lattato (aumentano entrambi)

36 Adattamenti cardiovascolari indotti dall allenamento 1-Adattamenti del cuore 2-Volume di scarica sistolica 3-Frequenza cardiaca 4-Gettata cardiaca 5-Flusso sanguigno 6-Pressione sanguigna 7-Volume sanguigno

37 Adattamenti cardiaci: 1) Aumento del volume delle cavità e spessore delle pareti 2) Migliore perfusione miocardica 3) Aumento del volume di scarica sistolica 4) Diminuzione della frequenza cardiaca

38 1) Dimensioni del cuore Teoria del Sovraccarico emodinamico Sport di forza: il ventricolo sinistro lavora contro pressioni molto elevate, compensa aumentando lo spessore delle pareti ventricolari. (variazioni più simili a quelle indotte dalla ipertensione arteriosa) Sport di resistenza: aumento del volume della camera ventricolare e anche dello spessore delle pareti. (ipertrofia armoniosa) L incremento delle dimensioni delle camere cardiache sinistre, del setto interventricolare e degli apparati valvolari.

39 Aumento del volume del ventricolo sx Ipertrofia eccentrica Inspessimento della parete Ipertrofia concentrica Spostamento laterale del battito (alla palpazione), soffio sistolico dovuto a maggiore turbolenza. Esercizio di lunga durata: Aumento della sensibilità al Calcio Cambiamento relazione forza-lunghezza Cellule miocardiche: aumenta l anabolismo e diminuisce il catabolismo proteico. Aumento nel numero di filamenti contrattili. Diversa l ipertrofia in risposta a ipertensione arteriosa cronica. Dilatazione e sfiancamento del ventricolo sinistro. Anche in atleti di potenza con abuso di steroidi anabolizzanti

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41 Migliore perfusione miocardica: Aumenta la densità capillare in proporzione all inspessimento della parete (differenze con ipertrofia patologica) Maggior dilatazione delle arteriole e maggiore produzione di NO Aumento del calibro delle coronarie Aumentano i trasportatori per il glucosio

42 2) Volume di scarica sistolica. Cause: -Riempimento ventricolare telediastolico maggiore, dovuto a maggiore volume di plasma e minore frequenza cardiaca. -inspessimento delle pareti, maggiore contrattilità, minore resistenza periferica. Maggiore volume di scarica sistolica

43 Esperimento su uomini anziani. 1 ora al giorno per 4 gg /settimana (1 anno) Corsa al 60-80% di VO 2 max Aumenta la contrattilità del ventricolo sx Aumento di VO 2 max del 23%

44 3) Frequenza cardiaca in riposo Soggetto sedentario 80 battiti/min Diminuzione di 1 battito/min a settimana con allenamento Dopo 10 settimane 70 battiti/min Aumento dell attività parasimpatica e diminuzione dell attività simpatica sul cuore. Diminuisce anche la frequenza intrinseca del nodo seno atriale. Lavori discordanti. 700 soggetti sedentari 20 settimane di esercizio: da 65,4 a 62,8 battiti/min.

45 Allenamento per la resistenza di 6 mesi Diminuzione della frequenza cardiaca Indica che il cuore è più efficiente e può lavorare di meno rispetto ad un cuore meno allenato. Anche la massima frequenza cardiaca sembra diminuire leggermente. Questo facilita il riempimento ventricolare.

46 Recupero della frequenza cardiaca. Periodo di recupero della frequenza cardiaca (tempo impiegato dal cuore per tornare alla frequenza di riposo) I soggetti più condizionati dall allenamento recuperano più velocemente. Anche allenamenti contro resistenze portano ad una diminuzione della frequenza anche se meno marcata.

47 4) Gettata cardiaca. L aumento netto si vede ad intensità di esercizio massimali Dovuto ad un aumento del massimo volume di scarica sistolica La frequenza massima infatti cambia di poco l/min non allenati l/min allenati

48 5) Flusso sanguigno Aumenta l apporto di sangue ai muscoli. -aumento della capillarizzazione nei muscoli (già dopo un singolo carico di lavoro, in sogg. allenati e non allenati, produzione di fattori angiogenetici endoteliali da parte delle fibre muscolari). -maggior grado di apertura dei capillari esistenti -più efficace ridistribuzione del sangue (aumento del flusso ematico ai muscoli più attivi anche all interno di un gruppo muscolare) Aumento del tono venoso (meno sangue nel sistema venoso e più sangue nel sistema arterioso) -aumento della massa di sangue

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50 6) Pressione del sangue La pressione del sangue in riposo tende a diminuire in seguito ad allenamento in soggetti con pressione moderatamente elevata. Probabilmente dovuto a livelli più bassi di catecolamine a riposo e quindi minor vasocostrizione!

51 7) Massa ematica Allenamento di resistenza: aumento del volume plasmatico e aumento dei globuli rossi. Volume plasmatico (prime 2 settimane): 1 aumento di ormone antidiuretico e aldosterone 2 aumento di proteine plasmatiche (albumina) Globuli rossi: lieve aumento, meno marcato di quello del volume plasmatico, abbassamento dell ematocrito.

52 Con allenamento per la resistenza Numero più alto di globuli rossi Ematocrito più basso Maggiore fluidità del sangue Migliore distribuzione di ossigeno ai muscoli attivi.