Funzionamento, struttura e patologie del sistema respiratorio umano

Il sistema respiratorio è l’insieme di organi e tessuti adibiti alla respirazione. E’ importante chiarire cosa vuol dire respirare poiché in biologia il termine ha due significati: può riferirsi alla respirazione cellulare, cioè alle reazioni chimiche che richiedono ossigeno nei mitocondri; o alla respirazione polmonare quando si assume ossigeno dall’ambiente e si rilascia anidride carbonica.

Scambio gassoso e respirazione

Negli organismi lo scambio gassoso di ossigeno e anidride carbonica tra le cellule e l’ambiente avviene per diffusione e per flusso di massa. Con il primo si intende un movimento delle particelle da una regione in cui sono molto concentrate a una regione in cui lo sono di meno. Il flusso di massa, invece, è il movimento complessivo di un fluido, quindi le molecole si muovono tutte in una sola direzione per via della pressione o della gravità.

Con la respirazione si mette in contatto l’aria esterna con quella interna al corpo ed essa si sposta da una zona a pressione maggiore verso una a pressione minore. Quando si inspira si crea una depressione a livello dei polmoni che fa scendere la pressione in modo da far entrare l’aria. Nell’espirazione invece avviene il contrario.

Struttura dell'apparato respiratorio

L’apparato respiratorio è suddiviso in un tratto respiratorio superiore e uno inferiore, quello superiore è composto da:

naso, trattiene le impurità dell’aria inspirata (l’aria può entrare anche dalla bocca);

faringe, tratto in comune con l’apparato digerente che si divide in due canali, esofago e trachea;

laringe, contiene le corde vocali, delle lamine di tessuto elastico che al passaggio dell’aria vibrano e producono suoni;

Il tratto inferiore da:

trachea, un tubo che porta l’aria ai polmoni;

bronchi e bronchioli;

polmoni, rilasciano O2 nel sangue e assorbono CO2;

muscoli della respirazione.

Funzionamento della trachea e dei polmoni

La trachea, lunga 12 cm, è costituita da 15-20 anelli cartilaginei tenuti insieme da tessuto connettivo, all’esterno invece è coperta da fibre muscolari lisce. Questa è divisa in due bronchi, i quali si suddividono in ramificazioni più piccole dette bronchioli. Bronchi e bronchioli sono rivestiti internamente da un epitelio ciliare e da cellule che producono muco: ciglia e muco intrappolano le particelle estranee che entrano e le rimuovono.

I polmoni sono costituiti da un tessuto elastico e spugnoso e quello sinistro è più piccolo del destro per lasciar spazio al cuore. Sono avvolti dalla pleura, una membrana sierosa costituita da un foglio parietale che riveste la cavità toracica, e un altro viscerale che ricopre la superficie del polmone. Tra i due strati pleurici vi è un velo di liquido che garantisce lo scorrimento reciproco.

A formare i polmoni sono gli alveoli polmonari, minuscole sacche riunite come grappoli intorno ai bronchioli. Sono costituiti da uno strato epiteliale sottile e circondati da capillari sanguigni. La parete sottile permette che lo scambio tra aria e sangue avvenga per diffusione.

Ventilazione polmonare e muscoli respiratori

La respirazione e gli scambi gassosi

Lo scambio di aria con l’atmosfera è detto ventilazione polmonare e avviene per flusso di massa. L’aria entra ed esce quando la pressione dell’aria negli alveoli cambia dalla pressione dell’aria esterna. Quando la pressione è maggiore negli alveoli, l’aria esce e si ha l’espirazione, quando avviene il contrario si ha l’inspirazione.

La pressione polmonare varia in relazione ai cambiamenti di volume della cavità toracica.

Il principale muscolo respiratorio è il diaframma, esso si contrae e si abbassa quando si inspira, di conseguenza abbassa anche i muscoli addominali che permettono alla gabbia toracica di ampliarsi, in questo modo la cassa toracica che si dilata fa gonfiare i polmoni. Quando il diaframma si rilassa consente agli organi addominali di risalire e si riduce il volume della cavità toracica che si era creato, si ha così l’espirazione.

Anche i muscoli intercostali hanno un ruolo fondamentale perché quelli esterni sollevano le costole ed espando la gabbia toracica, quelli interni abbassando le costole riducono il volume della gabbia toracica.

Il processo che riguarda gli scambi gassosi tra alveoli e sangue si ha sia per diffusione sia per flusso di massa e consta in quattro tappe fondamentali:

movimento per flusso di massa dell'aria verso l’epitelio a contatto con i capillari degli alveoli;

diffusione dell’ossigeno nel sangue attraverso l’epitelio;

movimento per flusso di massa del sangue verso i tessuti;

diffusione dell’ossigeno dal sangue nei liquidi interstiziali.

Trasporto dell'ossigeno nel sangue

L’ossigeno nel sangue viene trasportato dalla molecola di emoglobina, solubile, di colore rosso e presente nei globuli rossi. E’ costituita da quattro subunità ognuna delle quali comprende un’unità eme e una catena polipeptidica.

Il gruppo eme è una struttura ad anello che contiene azoto e un atomo di ferro al centro. Questa unità può combinarsi con una sola molecola di ossigeno, per cui ciascuna molecola di emoglobina può trasportare in tutto quattro molecole di ossigeno.

L’ossigeno si lega o separa dall’emoglobina quando la pressione parziale dell’ossigeno cambia nel plasma. Negli alveoli la pressione parziale dell’ossigeno è alta, per cui l’ossigeno si lega all’emoglobina, quando la pressione diminuisce si separano e l’ossigeno passa nelle cellule.

Il sangue ricco di ossigeno scorre dai polmoni al cuore, che lo pompa nei capillari in tutto il corpo. L’ossigeno viene rilasciato nelle cellule e i mitocondri lo utilizzano per produrre ATP e rilasciano il diossido di carbonio.

Il diossido di carbonio si diffonde dalla cellula nei capillari, una piccola porzione rimane disciolta nel plasma, ma la maggior parte entra nei globuli rossi. Qui una parte si lega all’emoglobina e l’altra viene convertita in ioni bicarbonato e ioni idrogeno. Il sangue povero di ossigeno torna al cuore che lo pompa nei polmoni.

Una volta raggiunti gli alveoli, l’emoglobina del sangue rilascia l’anidride carbonica e gli ioni idrogeno. Ioni idrogeno e ioni bicarbonato si combinano e formano l’acido carbonico che si trasforma in acqua e anidride carbonica.

L’anidride carbonica diffonde dalla cellula e raggiunge gli alveoli polmonari, da dove sarà espulsa.

Controllo della respirazione

Il controllo della respirazione

La velocità è la profondità della respiro sono controllate dai neuroni del tronco cerebrale, porzione che si trova tra il midollo spinale e il cervello. Questi sono i neuroni responsabili alla respirazione, che è ritmica e autonoma ma a volte è possibile controllarla.

Il centro di controllo della respirazione rileva il PH del sangue, perché quando la CO2 aumenta si scioglie nel sangue e forma acido carbonico, questo fa diminuire il PH del sangue.

Il centro di controllo della respirazione manda dei segnali ai muscoli intercostali e al diaframma. Un altro segnale si trova al livello dell’aorta, il corpo carotideo segnala ai neuroni respiratori una diminuzione dell’ossigeno e comunica la necessità di respirare.

Malattie respiratorie e loro cause

Insieme all’aria respiriamo anche batteri, polveri, muffe che possono aggredire le vie respiratorie. Alcune malattie infiammatorie sono la laringite, la tracheite, la bronchite, la polmonite o la pleurite. Possono essere curate grazie agli antibiotici come la penicillina.

Bronchite, asma, enfisema polmonare e broncopneumopatia (BCO) rientrano nelle malattie ostruttive dei polmoni. La BCO è un ostruzione progressiva e irreversibile delle vie respiratorie che provoca tosse, difficoltà respiratorie, debolezza ed è causata soprattutto dall’inquinamento atmosferico.

L’asma è una reazione infiammatoria delle vie bronchiali scaturita da allergie o inquinamento. Gli attacchi asmatici sono caratterizzati da un’eccessiva produzione di muco da parte delle membrane che rivestono i bronchioli.

Nell’enfisema polmonare si ha un deterioramento dei bronchioli terminali, una perdita dell’elasticità polmonare e un’eccessiva produzione di muco, è provocata soprattutto dal fumo.

Vi sono inoltre le malattie restrittive dell’apparato respiratorio che comportano una minore capacità di espansione dei polmoni. Un esempio ne è la fibrosi polmonare, all’interno del polmone si forma del tessuto cicatriziale che rende il polmone rigido e duro, con cicatrici che intaccano gli alveoli e impediscono una normale respirazione.

Nelle malattie vascolari dell’apparato respiratorio si riscontrano invece problemi a livello dei vasi sanguigni dei polmoni. Ad esempio nell’edema polmonare il fluido presente nel sistema capillare dei polmoni fuoriesce e si accumula nei bronchioli e negli alveoli, la presenza dei fluidi compromette la respirazione.