Il complesso sistema della respirazione umana: struttura e funzione

Definizione di respirazione

Il termine respirazione ha due diversi significati:

A livello cellulare indica le reazioni di ossidazione del glucosio che avvengono nei mitocondri per produrre ATP

A livello macroscopico si riferisce al processo con cui un organismo assume ossigeno dall'ambiente e elimina diossido di carbonio.

Fasi della respirazione polmonare

La respirazione polmonare avviene in due fasi:

-La ventilazione polmonare che riguarda l'entrata e l'uscita di aria dal sistema respiratorio

-Lo scambio di gas che a sua volta comprende due fasi:

-a livello degli alveoli si ha la respirazione esterna, ovvero lo scambio di ossigeno e diossido di carbonio tra l'aria che entra nel sistema respiratorio e il sangue

-A livello cellulare si verifica la respirazione interna che riguarda lo scambio di gas tra il sangue e il liquido extracellulare.

Pressione dei gas e altitudine

La pressione di un gas è il risultato di un gran numero di urti tra le molecole che lo costituiscono e le pareti del contenitore.

La pressione parziale di un componente di una miscela di gas è la pressione che questo avrebbe qualora occupasse da solo, il volume a disposizione dell'intera miscela alla medesima temperatura T.

La pressione totale esercitata dalla miscela gassosa è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas.

Struttura del sistema respiratorio

Dal punto di vista fisiologico è formato da canali specializzati per il trasporto di aria all'interno del corpo. Il primo tratto è chiamato porzione di conduzione ed è composto da: naso, faringe, laringe, trachea, bronchi, bronchioli e bronchioli terminali.

L'altro tratto è detto porzione polmonare respiratoria e termina con gli alveoli.

Dal punto di vista anatomico è suddiviso in vie aeree superiori, che comprendono il naso e la faringe, e vie aeree inferiori, che includono la laringe, la trachea, i bronchi e i polmoni.

Funzioni del naso e cavità nasali

L’aria può entrare sia dalla bocca sia dalle cavità nasali che la riscaldano e trattengono le impurità. Il naso è formato esternamente di cartilagine ialina, mentre la cavità nasale è divisa in due da una lamina osteocartilaginea, detta setto nasale, che forma anche le narici. Il setto nasale porta poi alle coane, due aperture che mettono in comunicazione

le narici con la porzione superiore della faringe. All’interno del naso sono presenti tre conche (superiore, media e inferiore), costituite da ripiegamenti della mucosa nasale, che servono per aumentare la superficie a contatto con l’aria in entrata e, quindi, a migliorarne il riscaldamento e il filtraggio. Nel naso, infatti, l’aria viene riscaldata a contatto con la mucosa, mentre le impurità sono intrappolate all’interno del muco, sostanza viscosa prodotta dalle cellule caliciformi, che ha anche il compito di rendere l’aria sufficientemente umida. L’epitelio di tutta la mucosa respiratoria è dotato di ciglia che muovono il muco verso l’alto dai bronchi verso la gola, in modo che possa essere costantemente deglutito insieme alle particelle estranee che ha intrappolato.

Nel naso si trovano anche le cellule olfattive, che trasmettono al cervello gli impulsi generati dalla percezione degli odori, e gli sbocchi dei condotti naso-lacrimali, che raccolgono le lacrime. Attorno al naso si trovano infine quattro paia di cavità ricoperte da mucose che servono per umidificare e scaldare ulteriormente l’aria, dette seni paranasali che, quando si infiammano, provocano la sinusite.

Ruolo della faringe e tonsille

La faringe è un organo muscolare che comunica sia con il sistema respiratorio (rinofaringe) sia con quello digerente(orofaringe). Nella faringe sono presenti le tonsille, organi linfoghiandolari che svolgono una funzione antinfettiva e immunitaria; in realtà le tonsille si trovano in differenti zone del cavo orale e della gola: le palatine sono quelle generalmente associate al nome stesso di tonsille, mentre quelle nasali, le rinofaringee, sono comunemente dette adenoidi. Nella rinofaringe si trova anche lo sbocco dell’orecchio medio tramite le trombe di Eustachio. Queste hanno un duplice compito: da un lato drenano le secrezioni del cavo timpanico e dall’altro permettono il passaggio di aria dalla faringe verso il timpano.

La faringe si trova in continuità con la laringe tramite la porzione detta appunto laringofaringe.

Struttura e funzione della laringe

La laringe costituisce il primo tratto delle vie aeree inferiori e mette in contatto la faringe con la trachea. Nella sua porzione mediana, detta glottide, si trovano le corde vocali, due lamine di tessuto elastico che, vibrando al passaggio dell’aria espirata, producono suoni di diversa intensità. La glottide è il sito della fonazione: il tono della voce varia al variare della tensione delle corde vocali, che viene controllata da speciali muscoli posti lateralmente.

La frequenza della vibrazione delle corde vocali, e quindi il tono della voce, è determinata dalla lunghezza delle corde vocali e dal loro spessore.

A differenza della faringe che è prevalentemente muscolare, la laringe è formata da otto cartilagini rigide, di cui fa parte quella tiroidea che ha la forma di uno scudo e protegge la parte anteriore della ghiandola. Nella laringe si trova una lamina cartilaginea elastica, l’epiglottide, che si abbassa a chiudere l’ingresso della laringe ogni volta che deglutiamo.

Trachea e struttura bronchiale

Dalla laringe l’aria passa nella trachea le cui pareti sono rinforzate da 16-20 anelli cartilaginei che la sostengono; questi anelli sono a forma di C poiché nella loro parte posteriore, a contatto con l’esofago, rimane solo una membrana muscolare: in questo modo l’esofago, posto dietro, può dilatarsi al passaggio del cibo, senza che gli anelli tracheali lo comprimano. Verso il basso la trachea si interrompe a livello della quinta vertebra toracica, dove si biforca originando i bronchi principali sinistro e destro.

I due bronchi principali si suddividono in: bronchi di prim’ordine, di second’ordine, bronchi lobulari e bronchioli, formando l'albero bronchiale o respiratorio. Bronchi e bronchioli sono circondati da un sottile strato di tessuto muscolare liscio; i bronchi principali sono sostenuti da anelli incompleti di cartilagine. man mano che il diametro dei bronchi diminuisce, gli anelli cartilaginei vengono sostituiti da lamine di cartilagine, fino a scomparire del tutto a livello dei bronchi secondari; scomparendo la cartilagine, aumenta via via la muscolatura liscia che circonda la cavità interna avvolgendo i bronchioli a spirale.

I bronchi e i bronchioli sono rivestiti internamente da cellule epiteliali che secernono muco e possiedono ciglia vibratili. Il muco ricopre l’epitelio interno e trattiene le particelle estranee che entrano con l’aria, mentre le ciglia che si muovono in sequenza dirigono il muco e queste particelle verso la faringe, da dove vengono poi solitamente inghiottite.

Anatomia e funzione dei polmoni

I due organi dall’aspetto spugnoso a forma di cono che occupano la cavità toracica sono i polmoni, in mezzo a loro trovano spazio il cuore e l’esofago.

I polmoni sono avvolti da una sottile membrana sierosa, la pleura, costituita da due foglietti, o tuniche: quella parietale riveste la cavità toracica, mentre quella viscerale aderisce alla superficie del polmone, ricoprendolo completamente. Tra le due tuniche pleuriche si trova una sottile cavità riempita da un velo di liquido pleurico che garantisce lo scorrimento reciproco. Solitamente la pressione all’interno della cavità pleurica è minore di quella atmosferica e ciò consente ai due foglietti di rimanere aderenti ai polmoni e di non collassare. Se a causa di un trauma entra aria nella pleura, la pressione intratoracica diventa uguale a quella atmosferica e il polmone collassa. Questa anomalia della pressione intratoracica è detta pneumotorace e quando è bilaterale rende impossibile la respirazione, portando rapidamente alla morte.

I polmoni sono organi pari ma asimmetrici: quello sinistro presenta una scissura per la presenza del cuore (scissura cardiaca), che lo divide in una parte superiore e una inferiore, ognuna delle quali ospita un bronco secondario, mentre quello destro è più grande e presenta due scissure che lo suddividono in tre lobi: superiore, intermedio e inferiore. Ogni lobo polmonare si suddivide in strutture anatomiche che hanno in comune un bronco terziario, il quale a sua volta si divide in bronchioli e poi in bronchioli terminali. Un gruppo di 5-7 bronchioli terminali, insieme ad arteriole, venule e vasi linfatici, identifica un lobulo polmonare.

Scambi gassosi negli alveoli

Gli scambi gassosi avvengono negli alveoli, piccoli sacchi di tessuto elastico raggruppati intorno alle estremità dei bronchioli più piccoli. Data la loro funzione, gli alveoli sono costituiti da epitelio squamoso semplice, che può essere facilmente attraversato per diffusione. Negli alveoli si trovano, inoltre, le cellule ghiandolari che secernono il liquido alveolare, una sostanza importante in quanto contiene il surfactante, un insieme di fosfolipidi e lipoproteine che impedisce agli alveoli di collassare durante la fase di espirazione e garantisce una velocità omogenea di svuotamento degli alveoli di differente calibro. Per garantire al massimo la funzione respiratoria, gli alveoli adiacenti sono collegati da pori alveolari, in modo che rimangano in comunicazione e possano essere attivi anche quando uno dei bronchi afferenti sia ostruito da muco o lesionato. Ogni alveolo ha un diametro di circa 0,1-0,2mm ed è circondato da capillari sanguigni. La barriera che separa l’aria contenuta in un alveolo dal sangue presente nei suoi capillari è spessa solo 0,5 μ m e lo scambio dei gas tra l’aria e il sangue avviene per diffusione: il diossido di carbonio lascia il sangue ed entra negli alveoli, mentre l’ossigeno esce dall’alveolo ed entra nel circolo sanguigno.

Meccanica della respirazione

Nei polmoni lo scambio d’aria con l’atmosfera avviene per flusso di massa, come risultato del cambiamento di volume che ha luogo nei polmoni per effetto della contrazione e del rilassamento di speciali muscoli, come il diaframma oppure come i muscoli intercostali. Il movimento combinato di questi muscoli determina una variazione del volume della gabbia toracica: quando essi si contraggono, la gabbia si espande, quando si rilassano, si restringe. In accordo con la legge di Boyle, relativa alle trasformazioni isoterme dei gas

(P × V = K), l’espansione della cavità toracica provoca una depressione che richiama aria dall’esterno (inspirazione), mentre la sua costrizione determina un aumento di pressione che permette all’aria di uscire dai polmoni (espirazione).

La frequenza degli atti respiratori di un individuo a riposo è strettamente collegata all’estensione della superficie respiratoria. Per questo motivo la frequenza respiratoria diminuisce con l’età. Con l’avanzare dell’età il polmone perde però di elasticità e la frequenza respiratoria torna ad aumentare.

Volumi respiratori e spirometria

Normalmente, con una respirazione non forzata e a riposo viene spostato un volume di aria pari a 500mL circa, definito volume corrente (VC). Se invece inspiriamo in maniera forzata, possiamo introdurre un volume di aria dai 2000 ai 3000mL, detto volume di riserva inspiratorio (VRI). Anche l’espirazione può essere compiuta in modo forzato, aumentando il volume di aria in uscita: il volume di riserva espiratorio (VRE) è dicirca1200 mL. La somma del volume corrente più i due volumi di riserva costituisce la capacità vitale (CV) dell’organismo, che raggiunge anche i 5000mL in un giovane uomo sano.

Una quantità di aria di circa1200 mL, detta volume residuo (VR), rimane nel sistema respiratorio anche dopo un’espirazione forzata. Per misurare questi volumi di aria si utilizza lo spirometro.

Per ventilazione polmonare si intende la quantità di aria che esce ed entra nei

polmoni in un minuto, espressa quindi in litri al minuto:

ventilazione = volume polmonare × corrente atti respiratori in un minuto (frequenza respiratoria)

Questa misura varia in base all’età, al sesso e alla corporatura.

Movimenti respiratori riflessi

Di solito il movimento respiratorio è la successione ritmica di inspirazione ed espirazione, o eupnea, ma esistono momenti in cui la respirazione è tutt’altro che rilassata ed equilibrata. Per esempio, nella tosse si susseguono un’inspirazione lunga e profonda, seguita da una violenta espirazione. Lo starnuto, invece, è lo spasmo molto forte dei muscoli espiratori, che produce espulsione di aria e saliva dal naso e dalla bocca. Anche in questo caso si tratta di un movimento riflesso dato dall’irritazione della mucosa nasale e ha lo scopo di espellere dal corpo batteri o altre sostanze irritanti presenti nella trachea o nel naso, spesso intrappolate nel muco. Il singhiozzo è uno spasmo del diaframma seguito dallo spasmo della laringe, da cui deriva il suono secco, causato spesso da un’irritazione delle terminazioni nervose a livello gastroenterico o diaframmatico. La risata e il pianto sono simili a livello muscolare, sono infatti prodotti da un’inspirazione a cui si susseguono brevi e ritmiche espirazioni, durante le quali le corde vocali vibrano. Tra la risata e il pianto cambiano il ritmo e le espressioni facciali, provocate dalle diverse contrazioni dei muscoli mimici. Lo sbadiglio è un’inspirazione profonda e prolungata con apertura della mandibola, durante la quale vengono ventilati tutti gli alveoli.

Ruolo dell'emoglobina nel trasporto di ossigeno

La capacità del sangue di trasportare ossigeno dai polmoni ai tessuti aumenta enormemente in presenza di molecole proteiche note come pigmenti respiratori; nei vertebrati questo pigmento è l’emoglobina. La molecola di emoglobina è una proteina globulare tetramerica, costituita cioè da quattro subunità, ognuna delle quali comprende un gruppo prostetico, l’unità eme, e una porzione proteica, detta globina.

Le quattro catene amminoacidiche, uguali a due a due e costituite ciascuna da circa 150 amminoacidi, sono legate tra loro da ponti salini, interazioni idrofobiche e legami a idrogeno; nell’emoglobina di una persona adulta esistono due catene alfa e due catene beta. L’unità eme è formata da una complessa struttura ad anello contenente azoto, al centro della quale si trova un atomo di ferro. In ogni gruppo eme l’atomo di ferro forma complessivamente sei legami: quattro legami planari con ciascuno dei quattro atomi di azoto posti al centro dell’anello, un legame con l’atomo di azoto dell’amminoacido istidina e un ultimo legame disponibile per l’ossigeno. Ciascuna unità eme può quindi combinarsi con una molecola di ossigeno, perciò ogni molecola di emoglobina può trasportare complessivamente 4 molecole di O_2.

La combinazione dell’ossigeno con l’emoglobina, così come la sua separazione, sono legate al valore della pressione parziale dell’ossigeno stesso nel plasma circostante. Nei capillari alveolari, l’elevata pressione parziale dell’ossigeno presente nell’aria permette che l’emoglobina si combini con questo gas; l’emoglobina è completamente satura quando nel sangue la pressione parziale dell’ossigeno raggiunge i 100 mmHg. Quando il sangue ricco di ossigeno raggiunge i tessuti, dove le attività metaboliche hanno consumato O_2 portando la sua pressione parziale a circa 40 mmHg, l’ossigeno si dissocia dall’emoglobina e passa nelle cellule.

Controllo nervoso della respirazione

La velocità e la profondità del respiro sono controllate dai neuroni dei centri respiratori situati in una zona del sistema nervoso centrale posta circa a livello della nuca. Questi centri respiratori regolano l’inspirazione e l’espirazione in condizioni di riposo, la respirazione forzata volontaria, la frequenza della respirazione e il prolungamento dell’inspirazione. I neuroni del cervello che controllano il respiro attivano i neuroni motori del midollo spinale, i quali a loro volta stimolano la contrazione sia del diaframma sia dei muscoli intercostali, permettendo l’inspirazione in condizioni normali. L’attivazione dell’inspirazione avviene per una durata di circa 2 secondi;

La respirazione, in condizioni normali, è ritmica e autonoma come il battito del cuore.

I neuroni dei centri respiratori ricevono segnali da specifici chemiocettori sensibili all’ossigeno, al diossido di carbonio e agli ioni idrogeno. Esistono chemiocettori centrali, presenti nel tronco cerebrale, che risentono della concentrazione di CO2 e H+ nel liquido cefalorachidiano, e chemiocettori periferici che influenzano la pressione arteriosa e risentono della concentrazione di O2, CO2 e H+ nel sangue.

Una concentrazione troppo bassa di H+ nel sangue, e quindi anche nel cervello, può portare una sensazione di debolezza e di capogiro a causa dell’iperventilazione.

Fattori che influenzano la respirazione

Esistono anche altri fattori che regolano la frequenza e la profondità del respiro: l'incremento della temperatura corporea, legato alla febbre o a un'intensa attività fisica, le fa aumentare, mentre in caso di ipotermia il respiro rallenta. Un altro fattore è il dolore: se è breve e intenso, come un ago che penetra in un dito, si ha apnea; se è prolungato, si verifica un aumento della frequenza respiratoria. Vi sono poi i recettori del movimento presenti nei muscoli che, in caso di attività fisica, stimolano il centro inspiratorio ad aumentare la ventilazione. Anche i recettori di stiramento, presenti nella muscolatura liscia dei bronchi e dei bronchioli, si attivano quando si ha un aumento del diametro bronchiale nell’inspirazione e attivano l’espirazione.