Fisiologia respiratoria

MECCANISMI DI FEEDBACK

Questo è il primo esempio trattato di regolazione omeostatica. Il principio base è quello dell’anello (o

loop) di feedback, presente in moltissimi sistemi fisiologici (es. regolazione della glicemia, temperatura,

ormoni).

Feedback negativo: struttura e logica

Variabile controllata

È il parametro che il sistema cerca di mantenere stabile entro un range fisiologico (es. glicemia,

● pressione, temperatura).

È soggetto a perturbazioni → cioè deviazioni temporanee dai valori ideali.

●

La perturbazione non è negativa di per sé: è un elemento normale e previsto nei sistemi biologici

viventi.

Perturbazione

Innesca il loop: senza perturbazione, non si attiva il feedback negativo.

● della perturbazione → si entra nel meccanismo di

Se si volesse agire prima feedforward, che può

● essere rischioso se la perturbazione non si verifica.

Recettori

Sono necessari per rilevare la variazione della variabile controllata.

● Possono essere sensori biologici (es. barocettori, chemiocettori).

●

Via afferente

Trasmette l’informazione al centro di controllo.

● Non è necessariamente un nervo: può essere una cellula o un ormone.

● Il centro di controllo confronta il valore percepito con il set point (valore di riferimento).

●

→Non è il valore assoluto rilevato che genera la risposta, ma la differenza rispetto al set point.

Via efferente

Conduce il segnale verso gli effettori, che producono la risposta correttiva.

● Anche qui, non è necessariamente nervosa: può coinvolgere vie ormonali o cellulari.

●

Effettore

Compie la risposta fisiologica, che ha segno opposto alla perturbazione.

● Riporta la variabile controllata entro il range desiderato.

●

→È un ciclo chiuso: la risposta dell’effettore ricade sulla variabile controllata, completando il loop.

Feedback positivo

Al contrario del feedback negativo, la risposta è dello stesso segno della perturbazione.

● Porta a reazioni a cascata auto-amplificanti.

● Tipico di meccanismi non omeostatici o transitori (es. contrazioni uterine da ossitocina durante il

● parto).

Interazioni tra anelli

Possono coesistere più anelli di feedback su una stessa variabile controllata.

● Un anello può influenzare un altro (es. la risposta di un primo loop genera una nuova

● perturbazione per un secondo loop).

Le interconnessioni rendono il sistema complesso ma più efficace nella regolazione.

●

Esercizio consigliato: ricavare l’equazione di Bohr a partire dal grafico (sbobina 13).

REGOLAZIONE OMEOSTATICA DELLA VENTILAZIONE

Due grafici distinti:

1. Grafico 1:

Ascisse: ventilazione alveolare

○ Ordinate: pCO₂

○ Relazione: proporzionalità inversa

○ → Più ventilo, meno CO₂ → ramo di iperbole equilatera

→ Formula: pCO₂ × Ventilazione = costante (K)

2. Grafico 2 (in aula):

Ascisse: pCO₂

○ Ordinate: ventilazione alveolare

○ Relazione: proporzionalità diretta

○ → Più CO₂ nel sangue, più aumento la ventilazione

Questa non è una contraddizione, il secondo grafico rappresenta un meccanismo di feedback negativo.

L’organismo aumenta la ventilazione in risposta a un aumento di CO₂:

Perturbazione → ↑ pCO₂

1. → Risposta regolatoria → ↑ ventilazione

2. → ↓ pCO₂ → ripristino dell’equilibrio

3.

→vale anche al contrario ↓CO2→ ↓ ventilazione

È una risposta involontaria e più o meno modulabile a uno stimolo (↑ CO₂).

Coinvolge:

Recettori (che rilevano la CO₂)

● Centro di controllo (confronto con il set-point)

● Effettori (muscoli respiratori) → risposta

●

nb: il feedback negativo è un riflesso, ma non tutti i riflessi sono feedback.

→Il primo grafico è una relazione fisico-matematica, il secondo una risposta fisiologica attiva.

CO₂ arteriosa ≈ CO₂ alveolare perché:

L’anidride carbonica ha:

● Alta diffusibilità

○ Trasporto prevalente sotto forma di bicarbonato (non legata all’emoglobina)

○

Di conseguenza, non si genera una significativa differenza tra la CO₂ alveolare e quella arteriosa

● (al contrario dell’O₂ in condizioni di shunt).

Questo giustifica l’uso della CO₂ arteriosa come approssimazione della alveolare nell’equazione di

● Bohr.

Differenza tra riflesso e feedback

Caratteristica Riflesso Feedback negativo

Stimolo Necessario Necessario

Risposta involontaria Sì Sì

Chiusura sul Non obbligatoria Obbligatoria (chiusura dell’anello)

parametro

Esempio Salivazione a stimolo Regolazione della CO₂ tramite

olfattivo ventilazione

Tutti i feedback sono riflessi, ma non tutti i riflessi sono feedback.

● L’essenza del feedback: si chiude tornando sulla variabile controllata iniziale e la riporta al set-

● point.

CHEMIOCETTORI E REGOLAZIONE CHIMICA DELLA VENTILAZIONE

I chemiocettori sono recettori sensoriali in grado di trasdurre segnali chimici.

Rispondono alla presenza di specifiche molecole:

(→

CO₂, O₂ e H⁺ pH)

● Anche gustativi e olfattivi (non oggetto della lezione, ma stessa logica recettoriale)

●

Classificazione anatomica

1. Chemiocettori periferici

Localizzazione:

● biforcazione carotide comune → →

Glomo carotideo: nervo glossofaringeo (IX)

○ arco aortico → →

Glomo aortico: nervo vago (X)

○

Caratteristiche:

● Si trovano fuori dal SNC, vicini ai barocettori ma non identici.

○ Ricevono sangue ricco di gas arteriosi, ma non sono dentro i grossi vasi.

○ Sono irrorati da capillari → strutture dette glomi, adatti a misurare le pressioni parziali dei gas,

○ ma non la pressione meccanica.

2. Chemiocettori centrali

Localizzazione:

● Regione bulbo-ventrale, sotto il IV ventricolo (tra bulbo e ponte).

○

Caratteristiche:

● Nel sistema nervoso centrale

○ Misurano PCO₂ e pH, non la PO₂

○ Molto sensibili alle variazioni della CO₂ e dell’acidità del liquor

○

Vie afferenti

Nervo glossofaringeo (IX) → glomo carotideo

● Nervo vago (X) → glomo aortico

● Informazioni inviate al centro respiratorio del tronco encefalico

●

Stimoli rilevanti (in ordine di importanza):

1. pCO₂ Parametro più importante per la regolazione.

○ Anche piccole variazioni provocano forti risposte ventilatorie.

○

2. pH ↓ pH (acidosi) → ↑ ventilazione.

○ Legato alla CO₂ tramite la reazione:

○ CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃⁻

⇌ ⇌

Iperventilazione rimuove CO₂ → sposta l’equilibrio a sinistra → ↓ H⁺

○

3. pO₂ Stimolo meno sensibile per la regolazione, a causa della riserva funzionale:

○ Plateau della curva di dissociazione dell’emoglobina

■ Una discesa da 100 a 80 mmHg causa effetti contenuti sul contenuto totale di O₂

■

I recettori periferici sono gli unici sensibili alla PO₂

○

Chemiocettori centrali: risposta paradossa alla PO₂

Non misurano efficacemente la PO₂.

● In caso di ipossia cerebrale:

● ↓ PO₂ → ↓ attività neuronale dei recettori → ↓ ventilazione

○ Questa risposta è opposta a quella utile → non è regolazione omeostatica, ma ipofunzionalità.

○

Solo i chemiocettori periferici forniscono una risposta riflessa adeguata alla ↓ di PO₂.

Sintesi delle risposte fisiologiche ai parametri misurati:

Parametro Recettori sensibili Effetto sulla ventilazione

Centrali e periferici

↑ pCO₂ ↑ ventilazione

Centrali e periferici

↓ pH ↑ ventilazione

Solo periferici

↓ pO₂ ↑ ventilazione

Nessuna vera risposta

↓ pO₂ (centrali) ↓ ventilazione (ipofunzionalità)

omeostatica

Il freno ipocapnico

La capnia è la pressione parziale della CO₂ nel sangue.

● Si parla di:

● Ipercapnia: ↑ pCO₂

○ Ipocapnia: ↓ pCO₂

○

Il freno ipocapnico è un meccanismo inibitorio che si attiva quando la CO₂ scende troppo durante

● l’iperventilazione, limitando ulteriori aumenti della ventilazione.

Meccanismo fisiologico del freno ipocapnico

In condizioni normali, la CO₂ è il principale stimolo alla ventilazione.

● Se iperventilo (es. per ipossia), elimino CO₂ → ↓ pCO₂ → inibizione del drive ventilatorio.

● Questa riduzione della ventilazione si oppone a ulteriori aumenti indotti dalla diminuzione di

● PO₂.

Risultato: l’ipossia non genera iperventilazione significativa finché la PO₂ non scende sotto la

soglia funzionale (~60 mmHg).

Esperimento con isocapnia forzata

Se si mantiene la CO₂ costante e alta (→ isocapnia forzata):

Il freno ipocapnico viene rimosso.

● L’ossigeno diventa capace di stimolare precocemente la ventilazione.

● Si osserva iperventilazione già con PO₂ di 80 mmHg, molto prima della soglia dei 60 mmHg.

●

Il freno ipocapnico dimostra che:

La CO₂ ha un peso regolatorio maggiore dell’O₂ in condizioni ordinarie.

● Il sistema respiratorio è tarato per mantenere stabili pCO₂ e pH, anche a costo di tollerare ipossie

● moderate (in condizioni di normalità pCO2 e pH predominano).

Solo in condizioni critiche/emergenza (PO₂ < 60 mmHg), l’ossigeno diventa il principale stimolo

● e guida un aumento della ventilazione.

Interazione reciproca tra O₂ e CO₂ nella regolazione

CO₂ influenza la risposta all’O₂:

A pCO₂ normale (~40 mmHg), la ventilazione non aumenta finché PO₂ non scende < 60 mmHg.

● Se pCO₂ scende (ipocapnia) → la risposta ventilatoria all’ipossia è ancora più debole.

● Questo è il freno ipocapnico, visibile nei grafici come una curva piatta fino a ~60 mmHg di PO₂.

●

O₂ influenza la risposta alla CO₂:

In ipossia, la risposta ventilatoria alla CO₂ diventa più

● sensibile.

La curva di risposta alla CO₂:

● Si sposta a sinistra

○ Diventa più ripida

○

→ A parità di pCO₂, la ventilazione è maggiore se la PO₂ è bassa.

Schema riassuntivo delle interazioni

Condizione Effetto sulla ventilazione

↓ pCO₂ (ipocapnia) ↓ drive respiratorio → freno ipocapnico

Nessuna risposta finché PO₂ > ~60 mmHg

↓ PO₂ con pCO₂ normale Aumento precoce della ventilazione (rimozione freno ipocapnico)

↓ PO₂ con pCO₂ mantenuta alta Risposta ventilatoria potenziata

↓ PO₂ + ↑ pCO₂ →perturbazione fisiologica

Esercizio fisico

L’e