Fisiologia 2 (Apparato Respiratorio)

Apparato respiratorio

Per mantenere la propria omeostasi, la cellula ha bisogno di costante produzione di energia, per la quale consuma O₂ e produce CO₂. L’O₂ serve a trasformare l’energia chimica introdotta con gli alimenti in energia cinetica attraverso la seguente reazione di combustione. Carbonio + O₂ → ATP + H₂O + CO₂. La CO₂ prodotta è un catabolita pericoloso per l’organismo che si forma durante le reazioni di ossidazione, per cui deve essere eliminata.

Negli organismi unicellulari (es. parameci) l’O₂ e la CO₂ possono diffondere direttamente attraverso la superficie corporea. Negli organismi più complessi (es. metazoi), a causa delle proprie dimensioni, il tempo di diffusione di questi gas non è compatibile con la vita. Per far fronte a tale problema, essi hanno sviluppato un sistema specializzato per canalizzare ed assorbire O₂ ed espellere CO₂, cioè l’apparato respiratorio.

Funzioni dell’apparato respiratorio

• Scambi gassosi
• Omeostasi acido-basica
• Termoregolazione
• Escrezione sostanze endogene ed esogene

La funzione principale dell’apparato respiratorio è assicurare gli scambi gassosi, ma assolve anche altre funzioni non secondarie. Probabilmente la più importante, necessariamente correlata agli scambi gassosi, è l’omeostasi acido-basica. Ovviamente il polmone non è l’unico che funge da controllore del pH del sangue, ma vi sono altri organi che contribuiscono all’omeostasi acido-basica. L’esempio per eccellenza è il rene, ma anche lo stomaco e l’intestino possono portare ad alterazioni di essa in corso di patologia. È necessario considerare il comparto sistemico come un’entità integrata.

L’apparato respiratorio interviene in maniera importante anche nella termoregolazione, soprattutto negli animali che non sudano (es. cane). Essendo una porta aperta verso l’esterno, l’apparato respiratorio svolge anche un’azione escretoria di sostanze endogene ed esogene. Di fatto, l’apparato respiratorio è un’interfaccia con l’ambiente esterno, cioè è una superficie attraverso la quale è possibile assorbire o cedere varie molecole. Tutto quello che è volatile, a basso peso molecolare e passa bene attraverso le membrane cellulari può essere acquisito e perso attraverso l’epitelio respiratorio.

Ad esempio, quando si fa il test del palloncino si soffia perché l’etanolo e i suoi metaboliti sono composti volatili, a basso peso molecolare e lipofili, che vengono persi attraverso l’epitelio respiratorio molto più che attraverso altre interfacce (es. cute, rivestita di un film impermeabile e la cui superficie è estremamente minore rispetto alla superficie alveolare). Stesso discorso vale per l’assorbimento di sostanze tossiche: tutti i gas tossici che si producono durante gli incendi o prodotti a scopo medico sono molecole che se respirate vengono assorbite all’interno del tratto respiratorio, per cui provocano un effetto metabolico importante.

NB – le caratteristiche di permeabilità e di capacità di diffusione specifica delle molecole possono essere sfruttate per terapie antibiotiche di patologie polmonari.

Scambi gassosi

La funzione principale dell’apparato respiratorio è assicurare gli scambi gassosi. Gli eventi coinvolti in questa funzione sono:

• Ventilazione polmonare – movimento di aria atmosferica all’interno del polmone e viceversa
• Distribuzione – movimento dell’aria attraverso le vie aeree superiori ed inferiori fino a raggiungere l’alveolo
• Perfusione – flusso sanguigno alveolare
• Diffusione – movimento di O₂ e CO₂ attraverso la membrana respiratoria
• Trasporto – trasferimento di O₂ e CO₂ nel sangue
• Diffusione tessutale – movimento di O₂ e CO₂ attraverso la membrana cellulare
• Respirazione cellulare

Un flusso e ricambio d’aria a livello alveolare permette il passaggio di O₂ da aria a sangue e di CO₂ da sangue ad aria. Si tratta di un trasporto passivo (diffusione), quindi controllato dai differenti gradienti di concentrazione dei suddetti gas, per cui nel tempo tenderebbe ad annullarsi. Quindi per mantenerlo attivo è necessario che i differenti gradienti di concentrazione rimangano costanti. Affinché ciò avvenga, viene portata via l’aria usata e fatta entrare l’aria nuova attraverso la meccanica respiratoria.

La sede degli scambi gassosi è l’interfaccia dove sangue ed aria vengono a contatto, non diretto ma mediato dall’alveolo (soprattutto dagli alveociti di tipo 1). Il sangue è il mezzo di trasporto che consente all’O₂ introdotto con il sistema respiratorio e la CO₂ rilasciata dai tessuti di entrare e uscire dall’organismo.

Un fattore fondamentale sono le caratteristiche dell’interfaccia. Si hanno due comparti, aria e sangue, separati da una membrana semipermeabile. Questa membrana è sottile (0,2-0,3 μm), ha una superficie enorme e possiede caratteristiche come la permeabilità, che se è troppa provoca danni fino all’edema polmonare, se invece è poca può provocare un deficit degli scambi a livello alveolare. Essa è costituita da:

• Periciti – cellule mesenchimali indifferenziate con funzione contrattile che circondano parzialmente la lamina basale dei capillari
• Matrice extracellulare (pochissima)
• Pneumociti

Tutto quello che succede a seguito di cambiamenti della composizione istologica del polmone si ripercuote sulle caratteristiche di permeabilità di questa interfaccia. Ad esempio, una polmonite o una reazione infiammatoria può portare alla sostituzione del tessuto alveolare con tessuto fibroso che modificherà la capacità alveolare. Stessa cosa capita se a livello alveolare si presenta acqua.

• Costante di permeabilità della membrana - se cambia il tipo di cellula, può cambiare anche la permeabilità, quindi può essere sottratta superficie agli scambi gassosi
• Caratteristiche meccaniche - il polmone deve essere deformabile, ma se cambia la sua composizione istologica, possono cambiare anche le sue caratteristiche meccaniche

Per capire quanto siano compromessi gli scambi gassosi, quale test si può fare a livello ematico? Emogas arterioso, che consiste nel prelievo di gas in uscita dal circolo polmonare per capire quanto sono stati efficienti gli scambi gassosi.

Cuore e polmoni sono due organi diversi, hanno caratteristiche funzionali diverse ma convergono per determinare la stessa funzione, cioè quella di assicurare due gradienti che portano il ricambio di aria e di sangue. Non a caso, così come la loro fisiologia, anche la loro patologia è integrata. Di fatti si tratta di apparati la cui compromissione crea molti problemi per quanto riguarda la sopravvivenza degli animali.

Esempio

Che cosa accade ad un organismo quando viene strangolato? Prima di tutto si verifica l’acidificazione del sangue. Il mancato controllo della pressione parziale della CO₂ fa sì che essa aumenti e, in presenza di acqua, dia luogo alla produzione di acido carbonico. Questo determina un abbassamento del pH, che causa alterazioni funzionali su tutte le componenti biologiche, in particolare tutte quelle strutture che definiscono le proprietà di conduttanza della membrana (es. canali di membrana). Per tale ragione, tutti i tessuti che funzionano grazie a una differenza di potenziale perdono i loro meccanismi di controllo nell’arco di pochissimo tempo:

• Sistema nervoso → si ingarbuglia la conduttanza degli ioni, il potenziale d’azione delle cellule nervose va in crisi, il cervello inizia a funzionare male e si perde conoscenza
• Sistema cardio-vascolare → si instaurano aritmie cardiache fino all’arresto cardiaco e dunque morte

Poiché tutto ciò avviene nell’arco di pochissimo tempo, le patologie acute o iperacute del sistema respiratorio sono codice rosso. Un paziente si definisce in codice rosso quando è in immediato rischio di vita: emorragie imponenti, perdita di conoscenza e tutti gli stati che sono successivi a questo.

Con il termine ventilazione polmonare si fa riferimento a tutta la serie di eventi meccanici che porta l’aria ad essere distribuita all’interno del tratto respiratorio. L’aria non viene distribuita a caso nel tratto respiratorio, ma viene direzionata, per cui esiste un sistema di gestione dei flussi che privilegia un’area rispetto ad un’altra.

La funzione cardio-respiratoria ha la necessità di mantenere attivo il gradiente che porta i gas ad essere scambiati. Per farlo, bisogna che questi due fluidi si spostino attraverso la meccanica respiratoria e la circolazione del sangue. Dunque si parlerà di come l’apporto vascolare, quindi la perfusione, si adatta alla meccanica respiratoria e viceversa (rapporto ventilazione-perfusione).

Per quanto riguarda il trasporto, ci si soffermerà sull’Hb e sugli aspetti che possono condizionare la patologia. In ultimo, si parlerà delle differenze tra circolo sistemico e polmonare, in relazione alle pressioni in gioco e alla struttura e funzione dei capillari.

Omeostasi acido-basica

La funzione di mantenere gli scambi gassosi è correlata direttamente con l’omeostasi acido-basica, che è uno dei principali controller della circolazione sistemica. In termini di sopravvivenza, la prima funzione del polmone è quindi il mantenimento dell’omeostasi acido-basica. È essenziale che l’organismo mantenga costante il pH dei liquidi corporei per mantenere livelli ottimali del funzionamento cellulare.

Il pH del sangue arterioso di un animale sano è 7,4. Le variazioni di pH ematico compatibili con la vita sono comprese fra 6,6 e 7,8. L’organismo, tuttavia, evita di raggiungere questi estremi grazie ad un meccanismo puntuale di controllo del pH che coinvolge il sangue e l’attività dell’apparato renale e respiratorio.

Nel sangue sono presenti diversi sistemi tampone che evitano rapide variazioni di pH:

• Proteine plasmatiche
• Emoglobina
• Fosfati
• Bicarbonato

Sebbene il sistema tampone fosfato abbia un pKa molto vicino al pH del sangue, per cui dal punto di vista chimico sarebbe il più efficiente a mantenere il pH sanguigno, modificare la concentrazione dei fosfati non è facile e rapido. Il più efficiente è il sistema tampone bicarbonato, presente a grandi concentrazioni nel sangue in quanto si forma a seguito della reazione di idratazione della CO₂. Un chimico non avrebbe scelto subito il bicarbonato come tampone più adatto a mantenere l’omeostasi acido-basica a causa del suo pKa troppo basso. Esso però ha il vantaggio di essere in equilibrio con la CO₂, la quale viene gestita rapidamente dal polmone. Per cui la capacità del polmone di gestire in tempi rapidissimi la quantità di CO₂ presente nel sangue è fondamentale.

L’anidride carbonica qualora si sciolga in acqua dà luogo alla produzione di acido carbonico, che a seconda dei parametri ambientali si può dissociare e dar luogo a ioni bicarbonato e H⁺. L’equilibrio tra CO₂ e HCO₃^- è quello su cui gioca la maggior parte dell’equilibrio acido-base dell’organismo. Il polmone è in grado di controllare l’emissione di CO₂ e quindi di far variare la concentrazione di uno dei due parametri di questa reazione. Altro organo che influenza questa reazione è il rene, perché gestisce le concentrazioni di HCO₃^-. Per questo motivo, nella definizione dell’equilibrio acido-basico c’è sempre un equilibrio polmonare-renale.

Tantissime patologie di tipo acido-basico comportano un problema renale e un compenso polmonare. Nell’insufficienza renale ci sono reazioni acido-base che avranno come reazione di compenso un aumento del lavoro del polmone, così nel caso di acidosi polmonare si avrà come compenso il reclutamento del rene.

L’adattabilità del sistema respiratorio passa attraverso il controllo della meccanica respiratoria, quindi della frequenza e dell’ampiezza degli atti respiratori, cioè della quantità di aria scambiata. Ciò ci ricorda il cuore (frequenza cardiaca, gittata cardiaca, volume iniettato dal ventricolo), per cui si può ragionare per analogia come è stato fatto per la meccanica cardiaca, in quanto c’è:

• Frequenza, quindi un numero di atti, contrazioni che nel cuore sono sistole e diastole mentre nel polmone sono ispirazione ed espirazione
• Volume, di sangue o di aria, che viene trasferito in un caso al circolo arterioso nell’altro all’ambiente

Il sistema respiratorio può modulare la sua funzione modificando questi due principali parametri:

• Frequenza respiratoria: atti respiratori/minuto
• Volume tidalico o corrente: volume d’aria che entra o esce dall’apparato respiratorio durante ogni ciclo respiratorio compiuto da un organismo in condizioni di riposo (10 ml/kg - in un soggetto di media taglia corrisponde a 500 ml d’aria)

Queste due variabili compongono quella che si chiama ventilazione polmonare, data dal prodotto del volume tidalico per la frequenza respiratoria (se si fanno 5 atti respiratori al minuto e ad ogni atto si scambia 1 litro d’aria, si ha una ventilazione di 5 l/min). La ventilazione, dando conto della quantità d’aria scambiata, dà conto anche della quantità di gas trasferito al sangue e all’atmosfera, che influenza direttamente l’omeostasi acido-basica:

• Iperventilazione: se la ventilazione aumenta e la CO₂ eliminata è maggiore di quella prodotta, la pCO₂ arteriosa diminuisce ed il pH del sangue aumenta (blanda alcalosi)
• Ipoventilazione: se la ventilazione diminuisce e viene eliminata meno CO₂ rispetto a quella prodotta, la pCO₂ arteriosa aumenta ed il pH del sangue diminuisce (acidosi)

È possibile aumentare la frequenza mantenendo costante la ventilazione e riducendo la profondità del respiro (volume d’aria trasferito in ciascun atto respiratorio), e viceversa. Questo suggerisce il concetto fondamentale che ad ogni condizione dell’organismo (riposo, sforzo aerobico, sforzo anaerobico, sforzo intenso) corrisponde un’attività metabolica, a cui corrisponde una ventilazione, ottenuta controllando profondità e frequenza del respiro.

Il rapporto frequenza-profondità rappresenta uno strumento per diagnosticare la patologia. Se ci sono delle patologie, la frequenza respiratoria a riposo risulta molto maggiore di quanto atteso e non si è in grado di affrontare uno sforzo fisico modificando l’ampiezza del respiro. Chi si rompe una costa sente particolarmente dolore mentre respira, per cui mantiene un respiro estremamente superficiale, tentando di modificare il diametro trasversale del torace il meno possibile e aumentando la frequenza respiratoria per mantenere costante la ventilazione.

Metabolismo

Gli scambi gassosi forniscono O₂ per il metabolismo cellulare. Infatti, esiste una proporzionalità tra il flusso di gas che consente gli scambi gassosi e l’intensità del metabolismo, e ciò lo si vede sia in maniera comparativa che nel singolo soggetto.

Esiste una legge empirica, detta legge di Kleiber, che lega l’entità della richiesta metabolica alla massa corporea dell’organismo: organismi più grandi tendono ad avere richieste metaboliche inferiori ad organismi più piccoli, di conseguenza anche richieste inferiori di apporto di gas (minore frequenza respiratoria).

La richiesta metabolica è descritta dal metabolismo basale. Con questo termine si fa riferimento al dispendio energetico di un organismo a riposo (funzioni vitali e funzione cellulare), che è proporzionale alla massa elevata allo 0,75 (M^0,75).

NB – la legge di Kleiber non tiene conto degli aumenti posti sul metabolismo basale (es. sforzo fisico).

NB – gli scambi del metabolismo sono correlati alla quantità di tessuto e di cellule, quindi al volume dell’animale, ma gli scambi termici avvengono in funzione della superficie dell’animale.

La funzione respiratoria consuma una quantità di energia non trascurabile, quindi ha un costo. Se le cose vanno bene, il bilancio costo-beneficio è a favore del beneficio, ma se ci sono dei problemi, la quantità di energia consumata dall’apparato respiratorio può aumentare tanto da essere un problema, che prima si manifesta in condizioni di stress funzionale (sotto sforzo), e solo in ultima istanza a riposo (es. scompenso generale delle funzioni sistemiche e insufficienza respiratoria).

La richiesta di energia, il consumo di O₂ e la produzione di CO₂ cambiano in funzione dell’attività dell’animale. Nello specifico, se c’è bisogno di sostenere un’aumentata richiesta metabolica, si ha un aumento delle performance dell’apparato respiratorio e cardiocircolatorio (es. durante una corsa si consuma più energia ed aumenta la frequenza respiratoria).

Da una parte, questo fatto consente di condurre approfondimenti diagnostici. Visitare un animale sotto sforzo fisico permette di comprendere come si adattano questi apparati, e di conseguenza come risponde l’organismo, in funzione delle variazioni ambientali (ambiente esterno (es. temperatura, altitudine) o ambiente interno (es. aumentata richiesta metabolica).

Inoltre, esistono quadri patologici che in condizioni di riposo non danno evidenza di sintomi (patologie subcliniche), ma diventano evidenti durante lo sforzo fisico. Ciò accade perché il costo energetico della respirazione aumenta in presenza di malattie respiratorie, che comportano una diminuita disponibilità di...