Fisiologia II

Apparato

Fisiologia II respiratorio

Apparato respiratorio

L’apparato respiratorio è l’insieme degli organi e delle strutture che permettono il

passaggio dell’aria e gli scambi gassosi tra l’ambiente circostante e l’organismo; il

funzionamento risulta quindi strettamente connesso al sistema circolatorio Eventuali

⇢❗

disfunzioni cardiovascolari si riflettono sul circolo polmonare.

Si compone di una serie di strutture (condotti) in sequenza in cui passa l’aria ed una

porzione finale in cui si crea un gradiente differente di concentrazioni di gas: sangue dei

capillari polmonari con alta [CO2] e alveoli polmonari con alta [O2].

Le principali funzioni dell’apparato respiratorio

- Scambi gassosi per fornire O ai tessuti e rimuovere da essi CO

2 2

- Omeostasi acido-basico

- Termoregolazione

- Escrezione sostanze endogene/esogene

Eventi coinvolti nella funzione respiratoria Atmosfera: miscela

di gas con 21% di

• Ventilazione polmonare: movimento di aria atmosferica all'interno del O e il 75% di N .

2 2

polmone e viceversa.

• Distribuzione: movimento dell'aria attraverso vie aeree superiori ed inferiori

fino a raggiungere l’alveolo (sede degli scambi

gassosi)

• Perfusione: flusso sanguigno alveolare

• Diffusione o scambi gassosi: movimento di O 2

e CO attraverso la membrana respiratoria

2

• Trasporto: trasferimento di O e CO nel sangue

2 2

• Diffusione tissutale: movimento di O e CO

2 2

attraverso la membrana cellulare

• Respirazione cellulare 1

Apparato

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Scambi gassosi

Per scambio gassoso si intende il passaggio di O e CO tra l’aria nei polmoni e le cellule

2 2

dell’organismo.

Gli scambi gassosi, in teoria, potrebbero prescindere dalla presenza dell’apparato

respiratorio perché l’ossigeno è una molecola che diffonde abbastanza bene attraverso le

membrane e le cellule e si scioglie nell’acqua.

Il problema è fondamentalmente di tipo dimensionale, perciò nella filogenesi degli animali

si è sviluppato un sistema che rendesse più efficiente il trasporto di ossigeno.

Gli esseri viventi che hanno una dimensione submillimetrica o millimetrica hanno un

➢

primitivo apparato respiratorio, possono affidarsi alla semplice diffusione per gli scambi

gassosi: O diffonde dall’ambiente esterno all’interno dell’organismo.

2

Es. I metazoi sono dotati di un sistema specializzato per canalizzare l’O contenuto

2

nell’atmosfera o disciolto in acqua dentro l’organismo.

e Mammiferi hanno un apparato respiratorio: sistema complesso protetto dentro

➢Uccelli

l’organismo atto a garantire gli scambi gassosi.

In questi animali, date le dimensioni maggiori, non è possibile un semplice scambio di

O tramite diffusione perchè il tempo che impiegherebbe O ad uscire ed entrare da

2 2

questi organismi non sarebbe compatibile con la sopravvivenza delle cellule.

Nello scambio gassoso è importante

l’interfaccia, cioè il luogo dove avviene

lo scambio gassoso: è costituita da

uno strato molto sottile di pneumociti

(soprattutto quelli di tipo I) che separa

l’ambiente esterno dall’organismo.

L’alterazione dell’interfaccia può determinare una riduzione dello scambio gassoso: se la

permeabilità della membrana aumenta si possono avere danni a livello polmonare fino

all’edema, se invece diminuisce troppo le conseguenze possono essere anche fatali.

della superficie

La velocità di diffusione viene ottimizzata aumentando al massimo l’area

di scambio e riducendo al minimo la distanza attraverso cui passano i gas. Nel sistema

respiratorio dei mammiferi la superficie di scambio di gas è notevolmente aumentata

dall’estesa ramificazione delle vie aeree e dall’elevatissimo numero di piccoli sacchi

alveolari. Le pareti degli alveoli e dei capillari sono caratterizzati da un singolo strato di

cellule epiteliali appiattite che riduce al minimo la distanza per la diffusione di O e CO

2 2

nel polmone.

Il sangue venoso sistemico, pompato dal ventricolo destro, entra nei capillari polmonari

(rete polmonare perialveolare); durante il passaggio attraverso i capillari, l’ossigeno 2

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diffonde nel sangue, mentre la CO2 passa nell’aria alveolare.

Il sangue ossigenato ritorna al cuore attraverso le vene Ventricolo dx rami dx e sx

⇢

delle arterie polmonari ⇢

polmonari e lascia il ventricolo sx attraverso l’aorta. ll sangue arteriole polmonari rete

⇢

ossigenato perfonde organi/tessuti dell’organismo, l’ossigeno polmonare perialveolare ⇢

attraversa le membrane cellulari ed entra all’interno delle venule vene polmonari

⇢ ⇢

cellule dove verrà utilizzato per trasformare energia chimica atrio sx ventricolo sx

⇢ ⇢

introdotta con gli alimenti in energia cinetica/termica circolazione sistemica

attraverso la reazione combustione: C + O = ATP + H O +

2 2

CO 2

Inoltre, il sistema respiratorio deve eliminare la CO che si forma durante le reazioni di

2

ossidazione, perchè la CO è un catabolita pericoloso per l’organismo: CO + H O

2 2 2

H CO H + HCO -

+

2 3 3

Il sistema respiratorio, quindi, permette di fornire O ai tessuti per il metabolismo cellulare.

2

Legge di Kleiber e metabolismo basale

il metabolismo dell’intero organismo è

La legge di Kleiber è una formula empirica:

proporzionale alla sua massa elevata alla potenza di ¾. La legge di Kleiber spiega,

quindi, perché il metabolismo basale di un animale aumenta al crescere della sua taglia.

• scambi metabolici

Gli sono correlati alla quantità di tessuto/cellule, quindi al volume

scambi termici

dell’animale; invece, gli avvengono in funzione

della superficie dell’animale. Farmaci e dosaggio: la quantità di

produzione di calore

La cresce in maniera direttamente alcuni farmaci è associata al peso

perdita di calore

proporzionale alla massa corporea, la invece dell’animale, altri vengono

cresce in maniera direttamente proporzionale alla superficie somministrati in base al m , quindi

2

corporea. Ne consegue che le perdite di calore sono maggiori in funzione della superficie, poiché

interagiscono con il metabolismo

negli animali di piccola taglia poichè hanno una superficie (citotossici, antitumorali,

corporea maggiore rispetto alla massa corporea, al contrario chemioterapici ecc.).

degli animali di grossa taglia.

Max Kleiber osservò che la velocità del metabolismo di un

organismo, ossia la velocità con cui brucia le sue riserve energetiche, è in funzione della

❗

sua massa. Questa legge empirica solleva dei problemi.

Tutti i processi metabolici rilasciano calore quindi contribuiscono alla sua produzione;

durante lo stato di riposo la T° corporea nei Mammiferi e negli Uccelli è normalmente

interna

mantenuta in un intervallo di 0,5-1 C° un aumento della T° corporea di 1C° determina

un aumento del metabolismo basale del 10%.

Il calore prodotto viene dissipato attraverso la superficie corporea: all'aumentare delle

dimensioni, però, la superficie corporea cresce meno della massa, quindi, se il

metabolismo crescesse sempre alla stessa velocità, il calore prodotto si accumulerebbe 3

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scompenso.

danneggiando l'organismo stesso Per poter sopravvivere, dunque, il

metabolismo di un organismo deve aumentare più lentamente della massa.

Il metabolismo basale per kg di massa corporea è minore nei grandi animali che nei

piccoli.

Se la superficie fosse l'unico fattore in gioco, secondo la matematica l’indice metabolico

MC

dovrebbe essere proporzionale alla .

0,67

Sostenuta da un copiosissimo insieme di osservazioni, la “legge di Kleiber” indica che

il metabolismo

negli animali e nelle piante questa relazione è leggermente diversa:

dell’intero organismo è proporzionale alla sua massa corporea elevata alla potenza

di ¾.

Questa differenza, biologicamente significativa, indica che in gioco ci sono altri fattori:

1. vari tessuti hanno un rilievo diverso nel determinare il metabolismo basale

2. le variazioni imposte dall'attività dell’animale sul metabolismo basale

3. eventuali fattori perturbanti dell’organismo

metabolismo o consumo basale

Il è il dispendio energetico di un Il ricambio completo di energia

organismo a riposo (funzioni vitali e funzione cellulare), corrisponde al per unità di tempo

minimo apporto necessario per mantenere vitale l’organismo. nell’organismo viene chiamato

A questo parametro contribuiscono: il metabolismo epatico ed il tono metabolismo basale, che è il

minimo degli animali a digiuno

muscolare (1⁄4 al fegato, 1⁄4 al muscolo), il tessuto nervoso (18%), e riposo.

respiratorio e l’apparato cardiovascolare (10%), renale… Gli indici metabolici

standardizzati sono

Durante la misurazione del metabolismo basale devono essere comunemente espressi come:

soddisfatte le seguenti condizioni: - Indice metabolico basale

- -

L’animale deve essere completamente a riposo e non soggetto a Indice metabolico a digiuno

- Indice metabolico a riposo o

stress fisico o psicologico di mantenimento

- I processi digestivi, l’assorbimento e lo stoccaggio delle sostanze - Indice metabolico di campo

nutritive assunte con l’ultimo pasto devono essere completati

- La temperatura esterna deve essere nella zona di termoneutralità dell’animale.

L’indice metabolico può essere determinato misurando la quantità di calore dissipato da

un animale in un dato periodo di tempo (in una camera isotermica) o determinando la

velocità di consumo di O2 e la produzione di H2O nella via finale di ossidazione dei

nutrienti. In questo modo è possibile calcolare quanta energia richiede il metabolismo del

soggetto in condizioni basali.

Negli animali lo stesso calcolo avviene in una vasca di acqua.

Il consumo di O e produzione di CO si modifica al modificarsi dell'attività dei tessuti,

2 2

quindi varia con l'attività dell’animale.

È importante studiare i sistemi organici in condizioni di quiete o di reclutamento

funzionale perché esistono condizioni che a riposo non danno evidenza di sintomi

(subcliniche) ma che diventano evidenti quando si chiede all’animale una performance: 4

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test sotto sforzo.

visibili mediate il Per testare la capacità di affrontare uno sforzo fisico

dell’acido lattico

di un cavallo sportivo si può misurare il livello ematico (prodotto del

metabolismo). La misura dell’acido lattico indica:

la capacità di affrontare lo sforzo attraverso il reclutamento del metabolismo aerobio

➢ la soglia aerobica

➢ il recupero dell’omeostasi dopo lo sforzo (l’acido lattico prodotto viene

➢

successivamente metabolizzato mediante il ciclo di cori nel fegato e in parte viene

escreto a livello urinario).

Nel caso in cui l’animale mostri problemi respiratori evidenti in situazioni di riposo si può

valutare l’integrità degli scambi gassosi (la quantità di O ematico) attraverso l’emogas

2

arterioso, prelevando il sangue in uscita dal circolo polmonare.

Il costo energetico della respirazione aumenta in presenza di malattie respiratorie. Questo

comporta una diminuita disponibilità di energia che l’animale non può più destinare

all’attività fisica (riluttanza al lavoro) e alla funzione metabolica necessaria per il

mantenimento del peso corporeo.

Omeostasi acido-base

Gli scambi gassosi sono la principale funzione dell’apparato respiratorio e sono correlati

con la funzione dell’omeostasi acido-basica.

È essenziale che l’organismo mantenga costante il pH dei liquidi corporei per mantenere

un ottimale funzionamento cellulare (enzimi cellulari).

Il pH del sangue arterioso in un animale sano è 7,4 e le variazioni di pH ematico

compatibili con la vita sono comprese fra 6,6 e 7,8.

L’organismo, tuttavia, evita di raggiungere questi estremi grazie ad un meccanismo

puntuale di controllo del pH che coinvolge il sangue e l’attività di due apparati emuntori

(renale e respiratorio).

Se la funzionalità polmonare, che presiede al controllo dell’omeostasi, viene meno

l’animale dopo poco perde coscienza e muore per acidosi (ipercapnia).

Nel sangue sono presenti diversi sistemi tampone che evitano rapide variazioni di pH:

Proteine plasmatiche

➢ Emoglobina

➢ Fosfati

➢ -

Bicarbonato HCO

➢ 3

Il tampone bicarbonato

E’ un sistema tampone molto efficiente data la grande concentrazione del bicarbonato nel

sangue (24 mEq/ml) e la possibilità dei reni insieme ai polmoni di regolarne la

concentrazione ematica. 5

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Acidi non volatili (H PO - H SO ): ogni

3 4 2 4

organismo tende continuamente all’acidità

(H sono prodotti continuamente). Gli

+

idrogenioni sono pericolosi perché sono

molto reattivi, possono legarsi al Cl e

-

formare HCl. Quando un acido forte come

l’HCl viene aggiunto alla soluzione

tampone di bicarbonato, l’aumentata

quantità di ioni H rilasciata dalla

+

dissociazione dell’acido viene tamponata

dall’HCO .

3-

Ne risulta una maggiore formazione di

acido carbonico (acido debole) che causa

un aumento della produzione di CO e

2

H O.

2

La CO formata viene rimossa con la

2

ventilazione, mentre il HCO consumato

3-

reni.

viene ricostituito dai Quando la generazione renale di bicarbonato eguaglia la

quantità di bicarbonato consumato nel tamponamento, la concentrazione di H nel liquido

+

extracellulare è stabile.

Acidi volatili (CO ): il sistema tampone bicarbonato

2

è molto veloce e permette alla CO di essere

2

espirata velocemente dall'organismo, grazie ad un

gradiente di concentrazione che ne favorisce il

passaggio dal sangue all'aria e l’enorme

l'interfaccia alveolare in cui questo gradiente opera.

La CO formata nei tessuti reagisce con H O,

2 2

producendo H . Nei polmoni, durante la

+

ventilazione, il processo è invertito.

L’equilibrio tra CO HCO è quello su cui gioca

3-

2

buona parte dell’equilibrio acido-base

dell’organismo: il polmone è in grado di controllare

l’emissione nell’ambiente di CO , quindi di far variare la concentrazione di uno dei due

2

partecipanti alla reazione.

La pKa è il valore del pH in cui il tampone si trova in forma associata e dissociata in egual

modo, ovvero il valore di pH in cui il tampone è più efficiente.

Il valore di pKa del sistema tampone bicarbonato è pari a 6,3; quindi dal punto di vista

chimico il tampone bicarbonato non è il più adatto per mantenere il pH a 7,4. 6

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Il tampone fosfato, dal punto di vista chimico, ha un pKa molto più vantaggioso di 7,4

sistema tampone chiuso

però essendo un è molto più difficile far variare velocemente la

concentrazione di fosfati perché non sono specie chimiche facilmente trasportabili/mobili.

sistema aperto:

Il sistema tampone bicarbonato risulta essere il più efficiente perchè è un

le concentrazioni di entrambe le componenti della coppia tamponante sono soggetti a

reni

regolazione indipendente. I regolano la concentrazione extracellulare di bicarbonato,

sistema

mentre la CO dalla quale è generato acido carbonico H CO , è regolata dal

2 2 3

respiratorio.

Le alterazioni acido-basiche causate da un’insufficienza renale vengono compensate dai

meccanismi di omeostasi polmonari; viceversa in caso di insufficienza dell’apparato

respiratorio.

Cambiamenti della funzione respiratoria modificano la Pressione di CO nel sangue e di

2

conseguenza il pH.

In condizioni patologiche il polmone può perdere la sua funzione di controllo

dell’omeostasi acido-basica:

Iperventilazione

• aumento della quantità di aria totale scambiata diminuzione della

CO innalzamento del pH = alcalosi.

2 L’alcolosi si verifica in corso di polipnea o può essere indotta da condizioni

patologiche a livello di SNC o quando l’animale è sottoposto a respirazione

assistita durante l’anestesia.

Ipoventilazione

• la ventilazione diminuisce viene eliminata meno CO2 rispetto a

quella prodotta la P arteriosa di CO aumenta diminuzione del pH = acidosi.

2

Il sistema respiratorio può modulare la sua funzione regolatoria modificando due principali

frequenza respiratoria profondità del respiro.

parametri: e

frequenza e dall’ampiezza

La ventilazione è data dalla del respiro; ogni specie ha una

frequenza respiratoria caratteristica anche se questa può cambiare in base allo stato

fisiologico (sforzo fisico, gravidanza…).

• Frequenza respiratoria: numero atti respiratori/minuto

Nel controllo della funzione cardiaca, alla frequenza, bisogna accoppiare un'altra

grandezza: la gittata cardiaca. All'aumentare della frequenza cardiaca, diminuisce

la quantità di sangue che abbandona il cuore e quindi anche la pressione (➡gittata

➡scambi

cardiaca gassosi = acidosi).

• Profondità del respiro: volume di aria introdotto in ciascun atto respiratorio

• Volume tidalico o Volume corrente: volume d’aria che entra o esce dall’apparato

respiratorio durante ogni ciclo