Fisiologia - Apparato Respiratorio

MECCANICA RESPIRATORIA

L'attività dei muscoli respiratori che provoca una variazione del volume toracico, associata

all'elasticità del connettivo polmonare e alla negatività della pressione intrapleurica, provoca una

variazione del volume polmonare, dando origine agli atti di inspirazione ed espirazione.

L'inspirazione avviene grazia alla contrazione dei muscoli intercostali e del diaframma; tale

contrazione provoca un aumento di volume polmonare e una diminuzione della pressione

intrapleurica, cui consegue un'aspirazione dell'aria nei polmoni. L'espirazione solitamente è

passiva, determinata dal rilascio dei muscoli respiratori; il volume toracico diminuisce, i polmoni

vengono compressi e l'aria espulsa.

L'entità della pressione negativa intratoracica dipende da 2 fattori: il grado di tensione della

trama elastica polmonare e la tensione superficiale alveolare. Per quanto riguarda la tensione

della trama elastica polmonare, durante l'inspirazione si ha attività dei muscoli inspiratori,

espansione della gabbia toracica ed aumento della tensione della trama elastica polmonare, con

aumento della depressione (753 mmHg); durante l'espirazione si ha cessazione dell'attività dei

muscoli respiratori, con riduzione della gabbia toracica, diminuzione della tensione della trama

elastica polmonare e diminuzione della depressione (757 mmHg). Per quanto riguarda la

tensione superficiale alveolare, il velo liquido sulla superficie alveolare da origine ad una tensione

superficiale all'interfaccia aria-acqua, una pressione che tende a collassare l'alveolo, tanto

maggiore quanto minore è il raggio dell'alveolo (Legge di Laplace, P = 2τ/r), dando origine ad

una forza che si oppone alla distensione polmonare; poiché gli alveoli posseggono un raggio

piccolo, la forza è talmente grande da impedirne completamente la distensione; gli pneumociti

di II ordine, per ovviare a ciò, rilasciano lipoproteine, chiamate surfactant, ad alto contenuto di

fosfolipidi, che riducono la tensione superficiale e impediscono la chiusura totale degli alveoli.

Gli alveoli sono in comunicazione con l'ambiente esterno, e quindi posseggono una pressione

intraalveolare uguale alla pressione atmosferica (760 mmHg); durante l'inspirazione, l'aumento

della tensione della trama elastica polmonare, oltre a creare un aumento della depressione,

provoca dilatazione degli alveoli e conseguente riduzione della pressione intraalveolare (759

mmHg); l'aria (circa 500 mL) entra negli alveoli. Durante l'espirazione, la riduzione della

tensione della trama elastica polmonare provoca, oltre ad una riduzione della depressione, una

riduzione del volume degli alveoli, con conseguente aumento della pressione intraalveolare (761

mmHg); l'aria (circa 500 mL) esce dagli alveoli.

La compliance polmonare indica la facilità con cui varia il volume polmonare al variare della

pressione intrapleurica: C = ∆V / ∆P

p ip

Dipende da 2 fattori: dalla quantità e la qualità del tessuto connettivo polmonare, e dalla

tensione superficiale alveolare. In presenza di un tessuto connettivo fibroso, poco elastico

(fibrosi polmonare), per ottenere la stessa variazione di volume occorrerà una maggiore forza

esercitata dai muscoli inspiratori e quindi si avrà una maggiore variazione della pressione

intrapleurica, con conseguente bassa compliance. In presenza di tessuto connettivo

quantitativamente scarso (enfisema polmonare), per ottenere la stessa variazione di volume,

occorrerà una forza minore e quindi si avrà una minore variazione della pressione intrapleurica,

con conseguente alta compliance. In presenza di una tensione superficiale alveolare elevata

(forza che si oppone alla distensione polmonare), per ottenere la stessa variazione di volume

occorrerà una maggiore forza esercitata dai muscoli inspiratori e quindi si avrà una maggiore

variazione di pressione intrapleurica, con conseguente bassa compliance.

La variazione di 1 mmHg della pressione dell'aria alveolare permette l'entrata e l'uscita di 500

mL di aria. Per un fluido, come lo è l'aria, il flusso è direttamente proporzionale alla differenza

tra pressione alveolare e pressione atmosferica ed inversamente proporzionale alla resistenza:

F = (P – P ) / R

alv atm 4

R = 8 l / π r

η

Il percorso che deve fare l'aria per entrare negli alveoli o uscire dagli alveoli (l) è abbastanza

breve, ed il calibro delle vie aeree (r) è abbastanza elevato; di conseguenza la resistenza R è bassa

ed il flusso F è quindi elevato. Man mano che ci si allontana dalle vie respiratorie a diametro

maggiore, la sezione trasversa complessiva aumenta di molto, e la resistenza diminuisce; poiché

la velocità di flusso è inversamente proporzionale alla sezione trasversa complessiva (Legge di

Leonardo), man mano che ci si allontana dalle vie respiratorie a diametro maggiore, la velocità

di flusso diminuisce. Durante l'inspirazione, le fibre elastiche, la cui tensione aumenta,

effettuano una trazione sui bronchi più piccoli, con aumento della loro sezione e diminuzione

della resistenza.

Il punto critico del sistema possono essere i bronchioli; la muscolatura liscia dei bronchioli è

innervata dal sistema nervoso vegetativo; il parasimpatico (con il neurotrasmettitore acetilcolina

ed i recettori muscarinici) provoca broncocostrizione, mentre l'ortosimpatico (con il

neurotrasmettitore adrenalina ed i recettori -adrenergici) provoca broncodilatazione (i

β 2

farmaci -adrenergici, di fatti, sono utilizzati nella terapia dell'asma).

β 2

Volumi e capacità polmonari sono valutabili mediante un esame spirometrico. Con

un'inspirazione normale introduciamo circa 500 mL di aria (volume corrente); con

un'inspirazione forzata introduciamo circa 2000-3000 mL (volume di riserva inspiratorio,

definito come la massima quantità di aria che può essere inspirata forzatamente alla fine di una

inspirazione tranquilla); con un'espirazione forzata espelliamo circa 1000 mL di aria (volume di

riserva espiratorio, definito come la massima quantità di aria che può essere espirata

forzatamente alla fine di una espirazione tranquilla); il volume residuo, definito come la

quantità di aria che rimane nell'albero respiratorio alla fine di una espirazione forzata, è circa

1200 mL. La capacità inspiratoria è data dalla somma del volume corrente e il volume di riserva

inspiratorio; la capacità espiratoria è data dalla somma del volume corrente e il volume di riserva

espiratorio; la capacità funzionale residua è data dalla somma del volume di riserva espiratorio e

il volume residuo; la capacità vitale è data dalla somma del volume corrente, del volume di

riserva inspiratorio e del volume di riserva espiratorio; la capacità polmonare totale è data dalla

somma della capacità vitale e il volume residuo.

Lo pneumotorace è una patologia ad esordio improvviso che consiste nell'accumulo di aria nel

cavo pleurico; può essere spontaneo (rottura di un alveolo o di una bolla sottopleurica),

traumatico (lesione della parete toracica), o secondario a patologie. La conseguenza

dell'ingresso di aria nel cavo pleurico è il collasso polmonare, per riduzione o scomparsa della

pressione negativa presente nella cavità pleurica. Può essere chiuso, quando la comunicazione

con l'esterno si chiude dopo che è entrata una certa quantità di aria nel cavo pleurico; può essere

aperto quando, ad ogni inspirazione, l'ingresso di aria nel cavo pleurico comprime il polmone

verso l'ilo e, inoltre, la depressione intratoracica del lato opposto richiama verso di sé il

mediastino; può essere a valvola, quando l'aria entra durante l'inspirazione nel cavo pleurico, ma

non esce durante l'espirazione (pneumotorace iperteso). In generale, si ha comparsa improvvisa

di dolore toracico acuto, tosse secca, polipnea e tachicardia. Si effettua un drenaggio pleurico

collegato a una bottiglia con valvola che permette l'uscita dell'aria in espirazione e non il rientro

durante l'inspirazione, per 24 ore dopo che non si verifica più uscita di aria; si esegue la sutura

della bolla per via toracoscopica e, se si sono verificati diversi pneumotorace spontanei, si esegue

una exeresi radicale del parenchima con la bolla o con le bolle.

Dei 500 mL che entrano nell'albero respiratorio, 350 mL arrivano negli alveoli (aria alveolare);

gli altri 150 mL rimangono nelle vie aeree superiori (spazio morto anatomico) e non

partecipano agli scambi gassosi. In alcune condizioni, una certa percentuale dell'aria alveolare

non partecipa agli scambi gassosi; tale percentuale si aggiunge allo spazio morto anatomico

(spazio morto funzionale). Le funzioni dello spazio morto sono il riscaldamento e

l'umidificazione dell'aria, e la termoregolazione in alcuni animali.

Si definisce ventilazione polmonare la quantità di aria che entra ed esce dall'albero respiratorio in

un minuto, mentre la ventilazione alveolare è la quantità di aria che entra ed esce dagli alveoli in

un minuto. Nella respirazione tranquilla, la ventilazione polmonare è uguale al prodotto fra il

volume corrente (500 mL) e la frequenza respiratoria (12 al minuto), ed è pari a 6000

mL/min, mentre la ventilazione alveolare è uguale al prodotto fra l'aria alveolare (350 mL) e la

frequenza respiratoria (12 al minuto), ed è pari a 4200 mL/min.

L'efficienza della respirazione dipende dalla ventilazione alveolare, che può aumentare se si

aumenta la frequenza del respiro o la profondità del respiro. E' meglio aumentare la profondità

del respiro piuttosto che la frequenza. LE LEGGI DEI GAS

Legge di Boyle-Mariotte

La pressione di un gas è dovuta alle collisioni delle molecole sulle pareti del contenitore; di

conseguenza, tutti i fattori che fanno aumentare il numero delle collisioni (temperatura T e

concentrazione del gas n/V) fanno aumentare la pressione P:

P = R T n/V

Considerando R (costante dei gas) e T costanti, la pressione è inversamente proporzionale al

volume occupato da quella quantità di gas.

Legge di Avogadro

Deriva dalla legge di Boyle-Mariotte. A parità di temperatura e pressione, 2 gas che occupano lo

stesso volume hanno lo stesso numero di molecole; di conseguenza, a parità di temperatura e

pressione, una mole di gas, qualunque esso sia, occupa sempre lo stesso volume, pari a 22,4 L.

Legge di Dalton

In una miscela di gas, la pressione totale è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli

gas. Nell'aria atmosferica secca, l'ossigeno rappresenta il 21%, l'azoto il 79% , l'anidride carbonica

lo 0,04%.