Fisiologia e biofisica - alveoli e surfactant

Fisiologia: alveoli e surfactant

Per quanto riguarda le pleure, l’esempio è quello del palloncino schiacciato. L’effetto è molto simile. Guarda il video e lo spiega. Dovreste già avere un’idea delle diramazioni del polmone. Qui fa vedere dall’interno la struttura di un alveolo. Qui ci sono dei macrofagi, o dust cell (cellule della polvere) e in effetti vediamo il ruolo di queste cellule, che inglobano microbi, polvere e quant’altro, perché piccole particelle possono essere eliminate o distrutte.

Il ruolo del surfactant

Poi c’è il surfactant che è prodotto da un altro tipo di cellule. Il surfactant o surfattante è implicato nella tensione superficiale, perché è una miscela di fosfolipidi e lipoproteine prodotte da particolari cellule alveolari che abbassano la tensione superficiale del liquido alveolare. È molto importante il fatto che nell’alveolo si viene a creare quello che avviene quando c’è un bicchiere d’acqua, tra l’acqua e l’aria. C’è un’interfaccia di diversa viscosità. Quindi si crea una tensione superficiale.

Quando c’è un’interfaccia si crea appunto la tensione superficiale. Finché si parla di bicchiere avremo a che fare con superficie costante e la tensione è costante. Poiché in superficie esercitano quella forza per cui le molecole tendono un po’ a curvarsi, sapete anche che a contatto del liquido con la parete il liquido tende a fare il menisco proprio perché le due forze, l’adesione alla parete e la forza di coesione delle molecole, tendono a fare una goccia. Trasferiamo questo concetto all’alveolo.

Il problema di tutto il sistema respiratorio, soprattutto a livello alveolare, sono le continue variazioni: i volumi e le pressioni sono in continua variazione. Nemmeno un ingegnere può progettare qualcosa che possa sopportare continue variazioni di pressione. Per effetto della muscolatura liscia i bronchi cambiano diametro e ad ogni atto respiratorio cambia il volume di ogni alveolo. Gli alveoli non sono tutti uguali tra di loro, hanno una media, ma non sono tutti uguali. Questo è fisiologico. E ognuno di loro va su e giù, cambia, ed è questa la complicazione.

Problemi fisici negli alveoli

Questo crea un problema fisico perché, in base alle leggi dei gas, siccome gli alveoli sono tutti comunicanti tra loro c’è la possibilità che se in un alveolo più piccolo si crea una pressione maggiore, questo si dovrebbe svuotare in quello più grande. Ma questo non succede. Ci deve essere qualche altro meccanismo che impedisce questo svuotamento. Guardando la diapositiva, vedete il disegnino con le palline nere (molecole con attività di superficie).

Ad esempio, i detersivi che sciolgono i grassi, la stessa cosa accade per la digestione ma lo tratteremo in seguito. Questo ci interessa anche nell’alveolo. In linea generale, se quelle molecole che stanno in superficie esercitano una certa tensione superficiale, se però metto in superficie 4 o 5 molecole di quelle nere (diverse da quelle dell’acqua), la forza di coesione cambia. È evidente che se in superficie ci sono 10 molecole e 4 sono diverse, che non esercitano la stessa forza, ma una minore, io ho ridotto la tensione superficiale.

Il meccanismo del surfactant

Se c’è né una sola diversa, l’ho ridotta di poco. Questo è quello che accade con i detersivi, che sono capaci di intromettersi tra le altre molecole diminuendo la tensione superficiale, specialmente per quanto riguarda i grassi. Questo accade anche per la nostra digestione. Nell'alveolo, analogamente, abbiamo un sistema a due viscosità: l’aria e il liquido che è molto più viscoso. In base alla variazione di volume, la tensione superficiale del liquido alveolare è variabile, ritorniamo quindi al problema della variazione.

Quando noi respiriamo entra l’aria, che entra per un fatto meccanico, aumentando il volume dei polmoni, cioè abbiamo creato una depressione, ridotto la pressione alveolare e l’aria viene aspirata, a differenza della rana che fa tutto il contrario. Il problema è che questo liquido particolare, che contiene queste sostanze, ha la capacità di fare quello che fanno le palline nere (Leggi di Laplace). Se aumenta la pressione dall’interno, quindi dall’alveolo, è evidente che è capace di distendersi, quindi si ha un aumento di diametro, cioè un aumento della superficie dell’alveolo, poiché è diventato più grande. Se c’è un aumento di pressione dall’interno, aumenta il diametro.

Poiché stiamo nel polmone che ha una forza elastica di ritorno, più si estende, più tende a tornare indietro. Questo è vero, però è chiaro che il limite è dato dalla forza elastica (x = forza elastica di ritorno). Però, se cambia la superficie, lo strato di surfactant avrà uno spessore diverso a seconda del diametro perché se è piccolo sarà più doppio, quindi ci saranno meno molecole in superficie. Se l’alveolo si espande come fa almeno 16-18 volte al minuto (frequenza respiratoria), quello strato di liquido nell’aumentare il diametro diventa più sottile: più cellule tendono a determinare tensione superficiale, quindi tutte le cellule si dispongono a livello superficiale, quindi se la superficie è maggiore, più molecole sono in superficie e la tensione superficiale aumenta.

All’aumento della pressione aumenta anche la "controforza", quindi è un meccanismo che però dovrebbe stabilizzare il sistema perché, premendo da dentro, aumento il diametro, più molecole in superficie, più tensione superficiale che tende a chiudere. Quindi, se aumenta la pressione, c’è una controforza che automaticamente, essendo poste più molecole in superficie, tende ad aumentare la controforza in rapporto al diametro. Così, quando si diminuisce, meno molecole in superficie riduzione della forza. Però non è molto stabile questo sistema perché se aumento molto la pressione dall’interno, l’alveolo potrebbe scoppiare, se invece diminuiamo molto, la controforza tenderebbe a schiacciare. Questo è un sistema che entro certi limiti è abbastanza equilibrato, oltre diventa molto instabile.

Il punto è che il surfactant dà una maggiore stabilità. Questo liquido, con queste molecole diverse, fa quello che fanno un po’ quelle palline nere, c’è una certa quantità di liquido sulla parete dell’alveolo con un certo numero abbastanza costante di queste palline nere, per intenderci. Quando aumenta la superficie, le molecole che sono in numero fisso sono relativamente minori e questo favorisce l’abbassamento della tensione superficiale perché ognuna di queste palline nere riduce la forza, quindi se ce n’è solo una la ridurranno poco. Quindi, se la superficie aumenta, la tensione tende diminuire perché sono più molecole. Nella diminuzione della superficie quindi del volume dell’alveolo, sono sempre quelle di numero, quando in rapporto alla superficie hanno.