Fisiologia II

Apparato Fisiologia II respiratorio

Apparato respiratorio

L’apparato respiratorio è l’insieme degli organi e delle strutture che permettono il passaggio dell’aria e gli scambi gassosi tra l’ambiente circostante e l’organismo; il funzionamento risulta quindi strettamente connesso al sistema circolatorio. Eventuali disfunzioni cardiovascolari si riflettono sul circolo polmonare.

Si compone di una serie di strutture, condotti, in sequenza in cui passa l’aria ed una porzione finale in cui si crea un gradiente differente di concentrazioni di gas: sangue dei capillari polmonari con alta [CO2] e alveoli polmonari con alta [O2].

Le principali funzioni dell’apparato respiratorio

• Scambi gassosi per fornire O2 ai tessuti e rimuovere da essi CO2.
• Omeostasi acido-basico.
• Termoregolazione.
• Escrezione sostanze endogene/esogene.

Eventi coinvolti nella funzione respiratoria

Atmosfera: miscela di gas con 21% di O2 e il 75% di N2.

• Ventilazione polmonare: movimento di aria atmosferica all'interno del polmone e viceversa.
• Distribuzione: movimento dell'aria attraverso vie aeree superiori ed inferiori fino a raggiungere l’alveolo, sede degli scambi gassosi.
• Perfusione: flusso sanguigno alveolare.
• Diffusione o scambi gassosi: movimento di O2 e CO2 attraverso la membrana respiratoria.
• Trasporto: trasferimento di O2 e CO2 nel sangue.
• Diffusione tissutale: movimento di O2 e CO2 attraverso la membrana cellulare.
• Respirazione cellulare.

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Scambi gassosi

Per scambio gassoso si intende il passaggio di O2 e CO2 tra l’aria nei polmoni e le cellule dell’organismo.

Gli scambi gassosi, in teoria, potrebbero prescindere dalla presenza dell’apparato respiratorio perché l’ossigeno è una molecola che diffonde abbastanza bene attraverso le membrane e le cellule e si scioglie nell’acqua.

Il problema è fondamentalmente di tipo dimensionale, perciò nella filogenesi degli animali si è sviluppato un sistema che rendesse più efficiente il trasporto di ossigeno.

Gli esseri viventi che hanno una dimensione submillimetrica o millimetrica hanno un primitivo apparato respiratorio, possono affidarsi alla semplice diffusione per gli scambi gassosi: O2 diffonde dall’ambiente esterno all’interno dell’organismo.

Es. I metazoi sono dotati di un sistema specializzato per canalizzare l’O2 contenuto nell’atmosfera o disciolto in acqua dentro l’organismo.

Uccelli e Mammiferi hanno un apparato respiratorio: sistema complesso protetto dentro l’organismo atto a garantire gli scambi gassosi.

In questi animali, date le dimensioni maggiori, non è possibile un semplice scambio di O2 tramite diffusione perché il tempo che impiegherebbe O2 ad uscire ed entrare da questi organismi non sarebbe compatibile con la sopravvivenza delle cellule.

Nello scambio gassoso è importante l’interfaccia, cioè il luogo dove avviene lo scambio gassoso: è costituita da uno strato molto sottile di pneumociti, soprattutto quelli di tipo I, che separa l’ambiente esterno dall’organismo.

L’alterazione dell’interfaccia può determinare una riduzione dello scambio gassoso: se la permeabilità della membrana aumenta si possono avere danni a livello polmonare fino all’edema, se invece diminuisce troppo le conseguenze possono essere anche fatali.

La velocità di diffusione viene ottimizzata aumentando al massimo l’area della superficie di scambio e riducendo al minimo la distanza attraverso cui passano i gas. Nel sistema respiratorio dei mammiferi la superficie di scambio di gas è notevolmente aumentata dall’estesa ramificazione delle vie aeree e dall’elevatissimo numero di piccoli sacchi alveolari. Le pareti degli alveoli e dei capillari sono caratterizzati da un singolo strato di cellule epiteliali appiattite che riduce al minimo la distanza per la diffusione di O2 e CO2 nel polmone.

Il sangue venoso sistemico, pompato dal ventricolo destro, entra nei capillari polmonari, rete polmonare perialveolare; durante il passaggio attraverso i capillari, l’ossigeno diffonde nel sangue, mentre la CO2 passa nell’aria alveolare.

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Il sangue ossigenato ritorna al cuore attraverso le vene polmonari e lascia il ventricolo sx attraverso l’aorta. Ventricolo dx → rami dx e sx delle arterie polmonari → arteriole polmonari → rete polmonare perialveolare → venule → vene polmonari → atrio sx → ventricolo sx → circolazione sistemica.

Il sangue arterioso ossigenato perfonde organi/tessuti dell’organismo, l’ossigeno attraversa le membrane cellulari ed entra all’interno delle cellule dove verrà utilizzato per trasformare energia chimica introdotta con gli alimenti in energia cinetica/termica attraverso la reazione combustione: C + O2 = ATP + H2O + CO2.

Inoltre, il sistema respiratorio deve eliminare la CO2 che si forma durante le reazioni di ossidazione, perché la CO2 è un catabolita pericoloso per l’organismo: CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3-.

Il sistema respiratorio, quindi, permette di fornire O2 ai tessuti per il metabolismo cellulare.

Legge di Kleiber e metabolismo basale

La legge di Kleiber è una formula empirica: il metabolismo dell’intero organismo è proporzionale alla sua massa elevata alla potenza di ¾. La legge di Kleiber spiega, quindi, perché il metabolismo basale di un animale aumenta al crescere della sua taglia.

Gli scambi metabolici sono correlati alla quantità di tessuto/cellule, quindi al volume dell’animale; invece, gli scambi termici avvengono in funzione della superficie dell’animale. La produzione di calore cresce in maniera direttamente proporzionale alla massa corporea, la perdita di calore invece cresce in maniera direttamente proporzionale alla superficie corporea. Ne consegue che le perdite di calore sono maggiori negli animali di piccola taglia poiché hanno una superficie corporea maggiore rispetto alla massa corporea, al contrario degli animali di grossa taglia.

Farmaci e dosaggio: la quantità di alcuni farmaci è associata al peso dell’animale, altri vengono somministrati in base al m2, quindi in funzione della superficie, poiché interagiscono con il metabolismo, citotossici, antitumorali, chemioterapici ecc.

Max Kleiber osservò che la velocità del metabolismo di un organismo, ossia la velocità con cui brucia le sue riserve energetiche, è in funzione della sua massa. Questa legge empirica solleva dei problemi.

Tutti i processi metabolici rilasciano calore quindi contribuiscono alla sua produzione; durante lo stato di riposo la T° corporea interna nei Mammiferi e negli Uccelli è normalmente mantenuta in un intervallo di 0,5-1 C°; un aumento della T° corporea di 1 C° determina un aumento del metabolismo basale del 10%.

Il calore prodotto viene dissipato attraverso la superficie corporea: all'aumentare delle dimensioni, però, la superficie corporea cresce meno della massa, quindi, se il metabolismo crescesse sempre alla stessa velocità, il calore prodotto si accumulerebbe danneggiando l'organismo stesso.

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Per poter sopravvivere, dunque, il metabolismo di un organismo deve aumentare più lentamente della massa.

Il metabolismo basale per kg di massa corporea è minore nei grandi animali che nei piccoli.

Se la superficie fosse l'unico fattore in gioco, secondo la matematica l’indice metabolico dovrebbe essere proporzionale alla MC0,67.

Sostenuta da un copiosissimo insieme di osservazioni, la “legge di Kleiber” indica che negli animali e nelle piante questa relazione è leggermente diversa: il metabolismo dell’intero organismo è proporzionale alla sua massa corporea elevata alla potenza di ¾.

Questa differenza, biologicamente significativa, indica che in gioco ci sono altri fattori:

1. Vari tessuti hanno un rilievo diverso nel determinare il metabolismo basale.
2. Le variazioni imposte dall'attività dell’animale sul metabolismo basale.
3. Eventuali fattori perturbanti dell’organismo.

Il metabolismo o consumo basale è il dispendio energetico di un organismo a riposo, funzioni vitali e funzione cellulare, corrisponde al minimo apporto necessario per mantenere vitale l’organismo.

Il ricambio completo di energia per unità di tempo nell’organismo viene chiamato metabolismo basale, che è il minimo degli animali a digiuno e riposo.

A questo parametro contribuiscono: il metabolismo epatico ed il tono muscolare, 1⁄4 al fegato, 1⁄4 al muscolo, il tessuto nervoso 18%, respiratorio e l’apparato cardiovascolare 10%, renale…

Gli indici metabolici standardizzati sono comunemente espressi come:

• Indice metabolico basale.
• Indice metabolico a digiuno.
• Indice metabolico a riposo o di mantenimento.
• Indice metabolico di campo.

Durante la misurazione del metabolismo basale devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• L’animale deve essere completamente a riposo e non soggetto a stress fisico o psicologico.
• I processi digestivi, l’assorbimento e lo stoccaggio delle sostanze nutritive assunte con l’ultimo pasto devono essere completati.
• La temperatura esterna deve essere nella zona di termoneutralità dell’animale.

L’indice metabolico può essere determinato misurando la quantità di calore dissipato da un animale in un dato periodo di tempo, in una camera isotermica, o determinando la velocità di consumo di O2 e la produzione di H2O nella via finale di ossidazione dei nutrienti. In questo modo è possibile calcolare quanta energia richiede il metabolismo del soggetto in condizioni basali.

Negli animali lo stesso calcolo avviene in una vasca di acqua.

Il consumo di O2 e produzione di CO2 si modifica al modificarsi dell'attività dei tessuti, quindi varia con l'attività dell’animale.

È importante studiare i sistemi organici in condizioni di quiete o di reclutamento funzionale perché esistono condizioni che a riposo non danno evidenza di sintomi, subcliniche, ma che diventano evidenti quando si chiede all’animale una performance: test sotto sforzo.

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Visibili mediante il test sotto sforzo. Per testare la capacità di affrontare uno sforzo fisico di un cavallo sportivo si può misurare il livello ematico dell’acido lattico, prodotto del metabolismo.

La misura dell’acido lattico indica:

• La capacità di affrontare lo sforzo attraverso il reclutamento del metabolismo aerobio.
• La soglia aerobica.
• Il recupero dell’omeostasi dopo lo sforzo, l’acido lattico prodotto viene successivamente metabolizzato mediante il ciclo di Cori nel fegato e in parte viene escreto a livello urinario.

Nel caso in cui l’animale mostri problemi respiratori evidenti in situazioni di riposo si può valutare l’integrità degli scambi gassosi, la quantità di O2 ematico, attraverso l’emogas arterioso, prelevando il sangue in uscita dal circolo polmonare.

Il costo energetico della respirazione aumenta in presenza di malattie respiratorie. Questo comporta una diminuita disponibilità di energia che l’animale non può più destinare all’attività fisica, riluttanza al lavoro, e alla funzione metabolica necessaria per il mantenimento del peso corporeo.

Omeostasi acido-base

Gli scambi gassosi sono la principale funzione dell’apparato respiratorio e sono correlati con la funzione dell’omeostasi acido-basica.

È essenziale che l’organismo mantenga costante il pH dei liquidi corporei per mantenere un ottimale funzionamento cellulare, enzimi cellulari.

Il pH del sangue arterioso in un animale sano è 7,4 e 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 di due apparati emuntori, renale e respiratorio.

Se la funzionalità polmonare, che presiede al controllo dell’omeostasi, viene meno l’animale dopo poco perde coscienza e muore per acidosi, ipercapnia.

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

• Proteine plasmatiche.
• Emoglobina.
• Fosfati.
• Bicarbonato HCO3-.

Il tampone bicarbonato

È un sistema tampone molto efficiente data la grande concentrazione del bicarbonato nel sangue, 24 mEq/ml, e la possibilità dei reni insieme ai polmoni di regolarne la concentrazione ematica.

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Acidi non volatili, H3PO4 - H2SO4: ogni organismo tende continuamente all’acidità, H+ sono prodotti continuamente. Gli idrogenioni sono pericolosi perché sono molto reattivi, possono legarsi al Cl- e formare HCl. Quando un acido forte come l’HCl viene aggiunto alla soluzione tampone di bicarbonato, l’aumentata quantità di ioni H+ rilasciata dalla dissociazione dell’acido viene tamponata dall’HCO3-.

Ne risulta una maggiore formazione di acido carbonico, acido debole, che causa un aumento della produzione di CO2 e H2O.

La CO2 formata viene rimossa con la ventilazione, mentre il HCO3- consumato viene ricostituito dai reni. Quando la generazione renale di bicarbonato eguaglia la quantità di bicarbonato consumato nel tamponamento, la concentrazione di H+ nel liquido extracellulare è stabile.

Acidi volatili, CO2: il sistema tampone bicarbonato è molto veloce e permette alla CO2 di essere espirata velocemente dall'organismo, grazie ad un gradiente di concentrazione che ne favorisce il passaggio dal sangue all'aria e l’enorme interfaccia alveolare in cui questo gradiente opera.

La CO2 formata nei tessuti reagisce con H2O, producendo H+. Nei polmoni, durante la ventilazione, il processo è invertito.

L’equilibrio tra CO2 e HCO3- è quello su cui gioca buona parte dell’equilibrio acido-base dell’organismo: il polmone è in grado di controllare l’emissione nell’ambiente di CO2, quindi di far variare la concentrazione di uno dei due partecipanti alla reazione.

La pKa è il valore del pH in cui il tampone si trova in forma associata e dissociata in egual modo, ovvero il valore di pH in cui il tampone è più efficiente.

Il valore di pKa del sistema tampone bicarbonato è pari a 6,3; quindi dal punto di vista chimico il tampone bicarbonato non è il più adatto per mantenere il pH a 7,4.

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Il tampone fosfato, dal punto di vista chimico, ha un pKa molto più vantaggioso di 7,4 però essendo un sistema tampone chiuso è molto più difficile far variare velocemente la concentrazione di fosfati perché non sono specie chimiche facilmente trasportabili/mobili.

Il sistema tampone bicarbonato risulta essere il più efficiente perché è un sistema aperto: le concentrazioni di entrambe le componenti della coppia tamponante sono soggetti a regolazione indipendente. I reni regolano la concentrazione extracellulare di bicarbonato, mentre la CO2 dalla quale è generato acido carbonico H2CO3, è regolata dal sistema respiratorio.

Le alterazioni acido-basiche causate da un’insufficienza renale vengono compensate dai meccanismi di omeostasi polmonari; viceversa in caso di insufficienza dell’apparato respiratorio.

Cambiamenti della funzione respiratoria modificano la pressione di CO2 nel sangue e di conseguenza il pH.

In condizioni patologiche il polmone può perdere la sua funzione di controllo dell’omeostasi acido-basica:

• Iperventilazione: aumento della quantità di aria totale scambiata, diminuzione della CO2, innalzamento del pH = alcalosi. L’alcalosi si verifica in corso di polipnea o può essere indotta da condizioni patologiche a livello di SNC o quando l’animale è sottoposto a respirazione assistita durante l’anestesia.
• Ipoventilazione: la ventilazione diminuisce, viene eliminata meno CO2 rispetto a quella prodotta, la P arteriosa di CO2 aumenta, diminuzione del pH = acidosi.

Il sistema respiratorio può modulare la sua funzione regolatoria modificando due principali parametri: frequenza respiratoria e profondità del respiro.

La ventilazione è data dalla frequenza e dall’ampiezza del respiro; ogni specie ha una frequenza respiratoria caratteristica anche se questa può cambiare in base allo stato fisiologico, sforzo fisico, gravidanza…

• Frequenza respiratoria: numero atti respiratori/minuto. Nel controllo della funzione cardiaca, alla frequenza, bisogna accoppiare un'altra grandezza: la gittata cardiaca. All'aumentare della frequenza cardiaca, diminuisce la quantità di sangue che abbandona il cuore e quindi anche la pressione, gittata cardiaca → scambi gassosi = acidosi.
• Profondità del respiro: volume di aria introdotto in ciascun atto respiratorio.
• Volume tidalico o volume corrente: volume d’aria che entra o esce dall’apparato respiratorio durante ogni ciclo.