Appunti di Anatomia e Fisiologia dell'apparato respiratorio

I polmoni si trovano nella cavità toracica. La parete toracica è composta da strutture che

proteggono i polmoni: la gabbia toracica (formata da 12 paia di costole), lo sterno, le vertebre

toraciche, i muscoli e i tessuti connettivi associati. I muscoli della parete toracica responsabili della

respirazione sono i muscoli intercostali interni ed esterni, che si inseriscono nelle costole, e il

diaframma, a forma di cupola. Inoltre, i polmoni sono rivestiti dalla pleura, una membrana formata

da uno strato di cellule epiteliali e di tessuto connettivo. Ciascun polmone, inoltre, è rivestito da un

proprio sacco pleurico e si distingue la porzione della pleura viscerale e pleura parietale. Tra le due

pleure lo spazio si chiama spazio intrapleurico, riempito da un liquido definito intrapleurico.

Il flusso dell’aria all’interno e all’esterno dei polmoni assomiglia al flusso di sangue lungo il sistema

vascolare, in quanto entrambi sono flussi di volume guidati da un gradiente di pressione. La

ventilazione è, infatti, ottenuta grazie alla presenza di gradienti di pressione tra gli alveoli e l’aria

esterna.

L’inspirazione avviene quando la pressione degli alveoli è minore della pressione atmosferica,

determinando un gradiente di pressione che introduce l’aria all’interno degli alveoli. L’espirazione,

invece, si ha quando la pressione negli alveoli è maggiore di quella nell’atmosfera: il gradiente,

quindi, di pressione instaurato determina la fuoriuscita di aria dagli alveoli.

Il volume d’aria presente nei polmoni tra due respiri è chiamata capacità funzionale residua,

dall’acronimo CFR. quando i polmoni si trovano in questa fase, tutte le forze agenti sul polmone e

sulla parete toracica sono bilanciate e il sistema si trova in uno stato di riposo. Per poter mantenere

una pressione intrapleurica negativa è necessario che il sacco pleurico sia a tenuta d’aria. Se il sacco

pleurico si dovesse rompere, (in seguito ad esempio ad una ferita da arma da fuoco, polmonite,

enfisema) la pressione intrapleurica non è più negativa, ma in equilibrio con quella atmosferica ed i

polmoni collassano e la parete toracica si espande. È la condizione che viene denominata

pneumotorace, ovvero aria nello spazio intrapleurico. Ecco perché un polmone è isolato dall’altro,

in modo tale che se collassa un polmone, l’altro può continuare la sua funzione.

All’inizio dell’inspirazione i polmoni si espandono in seguito alla contrazione dei muscoli inspiratori,

determinando quindi un aumento del volume degli alveoli e, quindi, una diminuzione della

pressione intra alveolare. La riduzione della pressione intra alveolare determina un gradiente di

pressione che introduce l’aria nei polmoni.

Durante l’espirazione, avviene l’esatto opposto: i polmoni tendono a ritornare nella condizione di

riposo, facendo diminuire il volume degli alveoli ed aumentare la pressione intra alveolare. Questo

determina un gradiente di pressione che fa fuoriuscire l’aria dai polmoni.

Quindi al diminuire del volume dei polmoni aumenta la pressione intra alveolare, determinando un

flusso d’aria in uscita. I cambiamenti di volume degli alveoli sono prodotti dai cambiamenti di

volume della cavità toracica, che richiedono il coinvolgimento dei muscoli respiratori.

Nell’atto inspiratorio, l’espansione della parete toracica esercita una trazione sul liquido

intrapleurico, causando una diminuzione della pressione intrapleurica. Questa diminuzione della

pressione intrapleurica determina un aumento della pressione transpolmonare, che corrisponde

alla differenza tra la pressione intra alveolare e quella intrapleurica.

Abbiamo detto che i polmoni sono elastici, in quanto tendono a ritornare nella loro posizione iniziale

dopo essere stati stirati. Questa elasticità può essere determinata con la compliance polmonare,

che è definita come il cambiamento di volume polmonare determinato da una variazione nella

pressione transpolmonare. Un’elevata compliance polmonare è vantaggiosa, in quanto è richiesto

meno lavoro o comunque una minore contrazione muscolare per spostare un dato volume di aria.

L’enfisema polmonare, ad esempio, fa diminuire l’elasticità del polmone.

Il surfactante impedisce il collasso degli alveoli più piccoli e l'eccessiva espansione di quelli più

grandi.

- Aumenta la compliance polmonare (la capacità del polmone di variare il proprio volume

quando viene applicata una determinata pressione).

- Previene l'atelettasia (il collasso del polmone) alla fine dell'espirazione.

- Facilita il reclutamento delle vie aeree collassate.

Gli alveoli possono essere paragonati a gas in acqua, in quanto umidi e circondati da uno spazio

centrale aereo. La tensione superficiale (una particolare tensione meccanica che si sviluppa lungo la

superficie di separazione, interfaccia, tra un fluido e l'aria) agisce sull'alveolo all'interfaccia aria-

acqua e tende a rendere la bolla più piccola. Grazie alla sua azione il surfactante diminuisce la

tensione superficiale all'interno degli alveoli con raggio minore e ne impedisce il collasso durante

l'espirazione, in accordo con la relazione di Laplace (dove P è la pressione, T è la tensione superficiale

e r è il raggio dell'alveolo. Come si vede dalla relazione al crescere di P cresce la tendenza dell'alveolo

a collabire): P=2T/r.

Durante la respirazione tranquilla, l’inspirazione è un processo attivo che richiede la contrazione dei

muscoli inspiratori (diaframma e muscoli intercostali esterni). L’espirazione è, invece, un processo

passivo per il quale non è richiesta nessuna contrazione muscolare. Quindi, durante la respirazione

tranquilla, il ciclo consiste nella contrazione dei muscoli respiratori durante l’inspirazione, seguita

dal rilasciamento degli stessi muscoli nell’espirazione. Durante la respirazione più intensa, però,

l’espirazione diventa un processo attivo che richiede quindi l’attivazione di muscoli. Quindi durante

la respirazione attiva, il ciclo respiratorio consiste nella contrazione dei muscoli inspiratori e nel

rilasciamento dei muscoli espiatori durante l’inspirazione, seguita dal rilasciamento dei muscoli

inspiratori e dalla contrazione dei muscoli espiratori durante l’espirazione. I muscoli respiratori sono

muscoli scheletrici che si contraggono in seguito ad impulsi nervosi provenienti dai motoneuroni

somatici. Il nervo frenico innerva il diaframma, mentre i nervi intercostali interni ed esterni

innervano i rispettivi muscoli intercostali.

La respirazione è sotto controllo sia del sistema nervoso volontario che di quello involontario.

Respirazione interna

Le cellule dell’organismo consumano circa 250 mL di ossigeno e producono circa 200 mL di anidride

carbonica al minuto, quando l’organismo è a riposo. Per cui, per poter mantenere l’omeostasi,

l’organismo deve assumere ossigeno dall’atmosfera ed espellere anidride carbonica.

Pressappoco le concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica nel sangue arterioso sistemico

sono mantenute a livelli costanti, in quanto l’ossigeno si muove dall’aria alveolare al sangue alla

stessa velocità con cui viene consumato dai tessuti, e l’anidride

carbonica si muove dal sangue all’aria alveolare alla stessa velocità con

cui viene prodotta. Il rapporto tra la quantità di anidride carbonica

prodotta dall’organismo e la quantità di ossigeno consumata viene

chiamato quoziente respiratorio. Il quoziente respiratorio comunque

varia in base alla dieta, in quanto la dieta influeza il metabolismo. E

varia anche nel corso di esercizio fisico.

Quindi l’ossigeno entra negli alveoli e l’anidride carbonica lascia gli

alveoli attraverso il flusso di aria che si verifica durante la ventilazione.

Il sangue deossigenato ritorna attraverso le vene sistemiche all’atrio