Elementi di biologia generale 1

TRACHEE

Trachee si trovano negli insetti, i quali utilizzano un sistema respiratorio chiamato sistema

tracheale; formato da un insieme di tubicini, le trachee, che si biforcano e ramificano fino a

raggiungere tutti i tessuti dove terminano fondo cieco. L'aria entra nelle trachee attraverso delle

aperture, gli stigmi, situate lungo i lati del torace e dell’addome. Le trachee terminano molto vicini

agli organi e ai tessuti, quindi convogliano e consentono il passaggio dell'aria atmosferica in

prossimità dei tessuti che li utilizzano. È un meccanismo per ridurre la distanza.

POLMONI (vertebrati)

I primi animali ad abituasi alla respirazione subaerea sono i primi che hanno colonizzato l'ambiente

terrestre [anfibi come le salamandre] che sono anche strettamente legati all'ambiente acquatico.

I polmoni sono formati da una serie di sacchetti con una superficie liscia, che servono per

aumentare la superficie di scambio e in alcuni anfibi present ancora delle ripiegature aggiuntive, ma

negli anfibi non sono ancora completamente sviluppati, infatti in questi animali viene usata anche la

superficie epiteliale per effettuare scambi con l'ambiente esterno.

In rettili, uccelli e mammiferi che si sono adattati all'ambiente terrestre, i polmoni sono più

sviluppati perché questi non vivono nell'acqua → hanno un intenso metabolismo, perché devono

essere in grado di regolare e mantenere la temperatura corporea, e questo implica un consumo

molto elevato di energia.

La struttura del polmone in rettili, uccelli e mammiferi è estremamente complessa, non solo con

ripiegature in un solo sacchetti, ma da una serie di sacchettini che aumentano molto di più la

superficie di scambio → queste strutture prendono il nome di alveoli. Indipendentemente dal

ramificarsi delle vie aeree, l'aria dalla cavità nasale e dalla bocca attraversa bronchi e bronchioli,

raggiunge la zona dei polmoni soltanto a livello degli alveoli c'è scambio dei gas respiratori. Gli

alveoli sono tantissimi, e sono una struttura complessa che aumenta in modo estremo la superficie

di scambio. Quindi tutta la prima parte del sistema respiratorio serve per consentire il passaggio

dell'aria dall'ambiente esterno verso l'ambiente polmonare (nella cavità degli alveoli).

La parte vuota, cava, dell'alveolo è in diretto contatto con l'ambiente esterno, e quindi è da

considerarsi esterna all'organismo anche se i polmoni si trovano all'interno del corpo.

Negli animali terrestri le zone di scambio e quindi polmoni e trachea, sono all'interno

dell'organismo, perché sono permeabili è quindi possono far passare qualcosa come il vapore

acqueo → per un animale terrestre perdere acqua è un grosso problema, perché l'approvvigionamento

dell'acqua è importane, il corpo tende a perdere acqua, e questo è un problema. Portare verso

l'interno è un meccanismo che consente di regolare un po' di più, e quindi permette di limitare la

perdita di acqua. Lungo tutte le vie che servono per convogliare l'aria dall'ambiente esterno, si può

modificare un po' l'aria. Ci sono due meccanismi per “modificare” l'aria:

portare l'aria a temperatura corporea, l'aria fredda si scalda viaggiando lungo i tubi;

• l'aria lungo le vie respiratorie viene umidificata, viene rilasciato un po di vapore acqueo che

• che fa diminuire il gradiente favorevole per la perdita di acqua.

L'aria arriva all'interno del lume dell'alveolo (che è all'esterno dell'organismo). L'ossigeno presente

in quell'area attraversa l'alveolo e raggiunge i capillari (piccoli vasi) che circondano l'alveolo e che

sono all'interno dell'organismo, i capillari l'ossigeno nel sangue. Viene liberata CO che passa

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all'alveolo e con l'espirazione verrà rilasciata nell'ambiente esterno.

L'aria che è presente all'esterno deve raggiungere le zone dove ci sono gli scambi di gas respiratori.

Le attività che portano e favoriscono un ricambio nell'aria in modo da avere in modo più

rapidamente possibile l'aria dell'ambiente esterno prende il nome di processo di ventilazione; e l'atto

che tende a far entrare l'aria dall'ambiente esterno a quello interno prende il nome di inspirazione,

mentre quella che prevede l'espulsione dell'aria dall'interno all'esterno è l'espirazione. Questo

processo avviene anche negli insetti: la contrazione dei muscoli, in particolare quelli dell'addome,

permettono il ''movimento'' dell'aria. La struttura di per se non ha una struttura muscolare, ma grazie

alle pleure che funzionano come sistema di ancoraggio dal polmone alla parte alta della cassa

toracica → contraendo i muscoli della cassa toracica che consentono di rialzare le coste e quindi di

allargare la cassa toracica, dove c'è un muscolo a campana che chiude la parte bassa, si aumenta il

volume della cassa toracica. Il volume della cassa toracica aumenta o diminuisce rispetto

all'ambiento esterno: contraendo si rilascia la muscolatura, la cassa toracica ritorna alle sue

dimensioni originali, comprime il gas che è entrato, ne aumenta la pressione e quindi esce.

Ci sono frequenze e ampiezze differenti degli atti respiratori, che possono essere sia volontari che

involontari. Se in modo volontario si coinvolgo di più i muscoli della cassa toracica, e queste

ulteriori contrazioni prendono il nome di inspirazione ed espirazione forzata.

Nonostante l'espirazione forzata e la continua contrazione della muscolatura, i polmoni non si

svuotano mai del tutto: questo perché le sacche dei polmoni se si svuotano completamente tendono

a collassare, e quindi a non funzionare più. All'interno del polmone è sempre presente dell'aria.

L'aria che entra dall'ambiente esterno si deve mescolare con quella presente nei polmoni. La

composizione dell'aria a livello dell'alveolo, e cioè la zona che scambia con l'ambiente esterno è

diversa dalla composizione dell'aria che è stata inspirata. Questo perché lungo le vie si aggiunge

vapore acqueo, e poi si mescola con dell'aria che ha ricevuto la CO dai tessuto. E quindi la

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pressione dell'alveolo polmonare è più bassa (100 mmHg) d quella dell'ambiente (160 mgHg).

Gradienti favorevole per l'ingresso dell'ossigeno e per l'uscita della CO .

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Scambi di gas respiratori: ossigeno entra e CO esce. I due flussi ogni gas

sono indipendenti, si muove

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a seconda del suo gradiente→si intuisce quanto ossigeno può entrare e quanta CO può uscire. In

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condizioni fisiologiche normali, il volume di ossigeno che entra è uguale a quello di CO che esce.

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Il sangue è un ambiente acquoso e l'ossigeno è poco solubile in acqua. In alcuni casi l'ossigeno, che

può sciogliersi nel plasma così com'è, non è sufficiente per garantire il metabolismo. Quindi si sono

evolute delle molecole chiamate pigmenti (colorai perché assorbono la luce) che sono in grado di

legare l'ossigeno in modo reversibile, quindi di tenere nel sangue l'ossigeno necessario. Per i

mammiferi il pigmento respiratorio presente nel sangue è l'emoglobina: formata da 4 catene

polipeptidiche (sequenze di amminoacidi), ognuna delle quali è legata ad un gruppo prostetico

(eme) che è la zona dove è presente uno ione ferrroso in grado di coordinare anche se in modo

reversibile, l'ossigeno. L'ossigeno può essere trasferito e associato all'emoglobina che non è sciolta

nel plasma, ma è contenuta nei globuli rossi. La quantità massima che l'emoglobina può trasportare

rappresenta la capacità di trasporto dell’ossigeno mentre la quantità di ossigeno realmente legata

all’emoglobina rappresenta il contenuto in ossigeno nel sangue. Se l'emoglobina è satura, e quindi

legata al 100%, non si può più legare ossigeno.

La pressione parziale dell'ossigeno, nell'uomo, è intorno a 40 mmHg.

La distanza tra i due ambienti è inversamente proporzionale: tanto più gli ambienti sono lontani,

tanto meno volume di gas passerà. Tendenzialmente le strutture respiratorio cercano di minimizzare

le distanze in modo tale da avere un rapporto d'ossigeno maggiore. Il capillare cerca di minimizzare

le distanze, perché sono molto sottili, quindi globuli rossi e ossigeno passano al suo interno in 'fila

indiana'.

Una situazione diversa si ha con la CO , che è molto più solubile dell'ossigeno in acqua, e quindi

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non sono presenti molecole per mantenere in soluzione e trasportare la CO . L'unica peculiarità è

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che l'anidride carbonica può reagire con l'acqua per dare acido carbonico → reazione spontanea che

può essere enormemente velocizzata dalla presenza di un enzima: anidrasi carbonica presente sulla

superficie e nei globuli rossi. A livello del sangue, la CO vien rapidamente formata in acido

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carbonico e quindi nel sangue la CO è presente come bicarbonato di sodio → questa reazione va

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rapidamente da destra a sinistra quando si è alla periferia del corpo e quindi c'è tanta CO . A livello

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dei capillari e a livello polmonare la CO tende a fluire dal capillare verso l'alveolo e quindi grazie

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all'anidrasi carbonica che idrolizza, tende a rigettare. Nel sangue, quindi, l'anidride carbonica è

presente sotto forma di bicarbonato.

Gli atti respiratori e quindi la frequenza del respiro è sotto il controllo di centri nervosi che

elaborano dei segnali. Questi centri nervosi sono in grado di elaborare un metabolismo intrinseco. I

centri di respiro (si trovano nella zona del cervelletto), sotto la corteccia, cioè la zona del cervello a

cui associamo il concetto di volontarietà, quindi dove abbiamo coscienza di ciò che facciamo e

possiamo regolarci → respiri più o meno lenti e più o meno profondi, devono adattarsi alle esigenze

dell'organismo. Il cervelletto valuta e da risposta ad una serie di segnali che misurano le condizioni

dell'organismo. I parametri che i recettori dell'organismo misurano e mandano ai centri del respiro:

pressione parziale di CO → quanta CO sta girando nell'apparato circolatorio 8mammiferi).

• 2 2

pH dell'organismo (bicarbonato funziona da sistema tampone)

• pressione parziale dell'ossigeno.

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Tutti questi parametri possono essere letti, ma non hanno tutti la stessa importanza: nell'uomo

quello con meno importanza (influenza meno l'attivit&agrav