Fisiologia

RESPIRAZIONE

La respirazione è caratterizzata da 4 processi tra loro distinti ma correlati:

Respirazione esterna

1) Assorbimento di O

 2

Eliminazione di CO

 2

Respirazione interna (cellule, tessuti,…)

2) Utilizzazione di O

 2

Eliminazione di CO

 2

Funzione respiratoria (nel sangue)

3) Trasporto di O e CO

 2 2

Respirazione tissutale (nelle cellule)

4) Ruolo O e CO nelle relazioni metaboliche

 2 2

La ventilazione è data dai momenti di inspirazione ed espirazione. Il volume espirato con

ciascun respiro è pari a 500 ml e in ogni minuto vengono effettuati 15 respiri; in questo

modo il volume totale che lascia il polmone è pari a 7,5 litri. Questo è il volume al minuto o

ventilazione totale. Il volume di aria che entra nel polmone è di poco superiore poiché

viene inspirato più ossigeno di quanta anidride carbonica viene espirata. Di ogni 500 ml

rimangono dello spazio morto anatomico, quindi il gas che entra nella zona respiratoria è

pari a 5,25 litri ed è chiamata ventilazione alveolare ed è di fondamentale importanza

perché rappresenta la quantità di aria fresca che è disponibile per lo scambio di gas.

La ventilazione alveolare è data da: V = V + V

T D A

Moltiplicando per FR

V = V + V

E D A

Quindi

V = V - V

A E D

I gas si spostano attraverso la barriera sangue-gas per diffusione. La diffusione

attraverso i tessuti è regolata dalla legge di Fick. Questa afferma che la velocità di

trasferimento di un gas attraverso una lamina di tessuto è direttamente proporzionale

all’area del tessuto e alla differenza nella pressione parziale del gas tra i due lati, ed

inversamente proporzionale allo spessore del tessuto. La velocità di trasferimento dipende

anche da una costante che è direttamente proporzionale alla solubilità del gas ed

inversamente proporzionale alla radice quadrata del suo peso molecolare. Questo vuol

dire che l’anidride carbonica diffonde 20 volte più rapidamente dell’ossigeno perché

l’anidride carbonica ha solubilità molto più alta e peso molecolare non molto diverso.

V = A/S x D x (P – P )

gas 1 2 3

V = DL x (P – P )

gas 1 2

(D capacità di diffusione del polmone, area e spessore)

L D = V /P – P

L CO2 1 2

La perfusione è la seguente: R= (P – P ) / Flusso

1 2 4

RVP = (P – P ) / Q

a V T

La P in un globulo rosso che entra nel capillare è normalmente intorno ai 40 mmHg.

O2

Dall’altra parte della barriera sangue-gas c’è una P alveolare di 100 mmHg. L’ossigeno

O2

dilaga lungo questo grande gradiente di pressione e la P nl globulo rosso sale

O2

rapidamente fino a raggiungere quasi la P del gas alveolare quando il globulo rosso è a

O2

un terzo del capillare. In condizioni normali la differenza in P tra gas alveolare e sangue

O2

alla fine del capillare è estremamente piccola.

In corso di esercizio intenso il flusso polmonare di sangue aumenta considerevolmente ed

il tempo normalmente impiegato dal globulo rosso nel capillare, circa 0,75 secondi, può

essere ridotto ad un terzo. Pertanto, il tempo di ossigenazione è inferiore, ma in soggetti

normali che respirano aria non avviene ancora generalmente una riduzione misurabile

nella P di fine capillare. Se la barriera sangue-gas è marcatamente ispessita, così che

O2

sia ostacolata la diffusione dell’ossigeno, la velocità di salita della P nei globuli rossi

O2

risulta corrispondentemente lenta e la P , può non raggiungere quella del gas alveolare

O2

prima che sia trascorso il tempo disponibile per l’ossigenazione capillare.

La pressione media dell’arteria polmonare principale è di soli 15 mmHg; le pressioni

diastolica e sistolica sono circa di 8 e 25 mmHg. La pressione è quindi pulsatile. La

pressione media dell’aorta è circa 100 mmHg. Le pressioni negli atri destro e sinistro non

sono molto dissimili: 2 e 5 mmHg. La differenza di pressione tra interno ed esterno dei vasi

è chiamata pressione transmurale. Quando il polmone si espande, sia le arterie sia le

vene aumentano il loro calibro. I vasi alveolari sono esposti alla pressione alveolare e

comprendono i capillari ed i vasi leggermente più grandi situati negli angoli delle pareti

alveolari. Il loro calibro è determinato dalla relazione fra pressione alveolare e pressione al

loro interno. I vasi extralveolari comprendono tutte le arterie e le vene che corrono 5

attraverso il parenchima polmonare perché questo determina la trazione esercitata sulle

loro pareti dal parenchima che si espande.

La resistenza vascolare polmonare può essere descritta così:

Resistenza vascolare = pressione di ingresso – pressione uscita/flusso sanguigno

La caduta totale di pressione dell’arteria polmonare all’atrio sinistro nella circolazione

polmonare è solamente di 10 mmHg contro circa 100 mmHg per la circolazione sistemica.

Poiché il flusso sanguigno attraverso le due circolazioni è virtualmente identico ne

consegue che la resistenza vascolare polmonare è solo 1/10 di quella della circolazione

sistemica. Il flusso sanguigno polmonare è circa 6 litri/minuto così che la resistenza

vascolare polmonare è 1,7 mmHg/l/min.

L’alta resistenza della circolazione sistemica è in gran parte causata dalle arteriole

muscolari che permettono la regolazione del flusso sanguigno ai vari organi del corpo.

Quando la pressione nei vasi aumenta, la resistenza vascolare diventa ancora più piccola.

Questo avviene perché in condizioni normali alcuni capillari sono chiusi oppure aperti ma

privi di flusso sanguigno. Quando la pressione aumenta, questi vasi cominciano a

condurre sangue, abbassando così la resistenza totale (fenomeno chiamato

reclutamento). Oltre a questo, a pressioni vascolari più alte avviene un allargamento di

singoli segmenti capillari. L’aumento del calibro, distensione, porta una modifica della

conformazione dei capillari, da piatti a circolari. Un altro fattore che determina la resistenza

vascolare polmonare è il volume polmonare. Il calibro dei vasi extralveolari è determinato

da un equilibrio tra varie forze. Come si è visto, essi si aprono quando il polone si

espande; la loro resistenza vascolare, quindi, è bassa a grandi volumi polmonari. Hanno

invece un’altra resistenza quado il volume polmonare è basso. Infatti se il polmone è

completamente collassato, il tono della muscolatura liscia di questi vasi è così efficace che

la pressione nell’arteria polmonare deve salire di parecchio sopra la pressione a valle

prima che si abbia un flusso. Questa è chiamata pressione critica di apertura.

La resistenza periferica è uguale a:

Rp = P – P / VO max

cap O2 O2 m 2

La PcapO2 è difficile da stimare, quindi viene approssimata alla PvenO2.

L’ultima resistenza ha due componenti:

Diffusiva (capillarizzazione): aumento superficie di scambio, aumento numero

- capillari

Mitocondriale (densità)

-

Il volume di sangue che passa attraverso i polmoni in ogni minuto (Q) può essere

calcolato usando il principio di Fick. Questo stabilisce che il consumo di O per minuto

2

(V ) è uguale alla quantità di O captata dal sangue nei polmoni per minuto. Poiché la

O2 2

concentrazione di O2 nel sangue che entra nei polmoni è C e quella nel sangue che li

VO2

lascia è Ca , si ha:

O2 V = Q x (Ca – Cv )

O2 O2 O2 6

Q = V /Ca – Cv

O2 O2 O2

Nel polmone umano esiste una considerevole ineguaglianza di flusso sanguigno. Nel

polmone umano in posi zione eretta, il flusso sanguigno diminuisce quasi linearmente

dalla base all’apice, raggiungendo in quest’ultimo valori bassissimi. Questa distribuzione è

influenzata dai cambiamenti di postura e dal lavoro muscolare. Quando il soggetto giace

supino, il flusso sanguigno della zona apicale aumenta mentre il flusso della zona basale

rimane virtualmente immodificato, con il risultato che la distribuzione dalla base all’apice è

quasi uniforme. Tuttavia, in questa posizione, il flusso sanguigno nelle zone posteriori del

polmone eccede il flusso nelle parti anteriori.

MASSIMO CONSUMO DI OSSIGENO 7

Il VO max è dato da:

2 VCO = VA * (% CO /100) = VA * FACO

2 2 2

Quindi

VA = VCO / FACO

2 2

L’equazione della ventilazione alveolare è:

VA = (VCO /PACO ) * K

2 2

A riposo il consumo di ossigeno è pari a 4 ml/Kg/min, quindi circa 200-300 ml/min.

Il debito di ossigeno deriva dall’esaurimento dell’ATP, PCr ed early lactate. 8

Calcolo del consumo di ossigeno

VO = (V x FIO ) – (V x FEO )

2 I 2 E 2

V = (V -VO ) + VCO

E I 2 2

(V = V solo se R = 1)

I E

VO = V x (F – FE)O

2 E I 2

(N non prende parte a scambi gassosi)

2 V x FIN = V x FEN

I 2 E 2

V = (V x FEN ) / FIN = V x (1-DEO – FECO ) /(1-FIO )

I E 2 2 E 2 2 2

VO = V x [(1 – FEO – FECO ) /0,79] x (FIO2-FEO )

2 E 2 2 2

Equazione della ventilazione alveolare

VA = (VCO /PACO ) *K

2 2 9

Equazione dell’aria alveolare

PAO = PIO – (PACO /RER) + F

2 2 2

Calcolo VO 2 VO = Q x (Ca – Cv)O

2 2

VO = q x fc x (Ca – Cv)O

2 2

Meccanismo lattacido

Condizioni aerobiche

[La] = costante nel tempo

- Energia lattacida = 0

-

Condizioni anaerobiche

[La] = in continuo aumento

- Produzione energia proporzionale alla velocità di accumulo del La

- 10

FATTORI LIMITANTI IL MASSICO CONSUMO DI OSSIGENO

Un flusso è dato sempre dalla differenza di pressione tra ingresso e uscita diviso le

resistenze incontrate, V = ΔP/R, quindi: ∆P

VO max = Rtot

2 Dove

ΔP = PiO - PmitO

2 2

E

Rtot = Rv + R + R + Rp

L Q

Analisi numeratore

La pressione parziale di un gas è quella pressione che il gas eserciterebbe sul contenitore

se fosse l’unico gas presente nella miscela.

Aria a livello del mare = 760 mmHg

O = 20,93% dell’aria atmosferica

2 Quindi:

PO a livello del mare = circa 159 mmHg

2 11

A livello tracheale l’aria viene però umidificata al 100%. Poiché sappiamo che PO a 37° =

2

47 mmHg a livello tracheale la pressione totale dell’aria diventa quindi 760-47 = 713

mmHg.

Quindi: PiO = 20,93% * (713mmHg) = 150 mmHg

2

La P si avvicina allo zero per cui possiamo dire che la differenza di pressione di O tra

mitO2 2

ingresso (trachea) e uscita (cresta mitoc