Anatomia funzionale del sistema respiratorio

Sistema respiratorio

Il sistema respiratorio svolge diverse funzioni:

• Scambi gassosi → Scambi di O₂ e CO₂ tra aria e sangue e tra sangue e cellule
• Regolazione equilibrio acido-base → Regolazione pH del sangue
• Vocalizzazione
• Protezione da agenti esterni patogeni

La respirazione esterna richiede una collaborazione con l'apparato cardiovascolare e si compone di quattro sottoprocessi:

1. Scambio di aria tra atmosfera e polmoni → Ventilazione polmonare
2. Scambio di O₂ e CO₂ tra polmoni e sangue
3. Trasporto di O₂ e CO₂ nel sangue
4. Scambio di O₂ e CO₂ tra sangue e cellule dei vari organi e tessuti

Lo scopo finale è di far arrivare O₂ a cellule e tessuti ed espellere CO₂.

La ventilazione polmonare

Anatomia funzionale

Le vie aeree si suddividono in:

• Vie aeree superiori
  • Naso
  • Bocca
  • Faringe
• Vie aeree inferiori
  • Laringe
  • Trachea
  • Bronco destro e bronco sinistro

Essi si ramificano a formare prima i bronchioli e poi i bronchioli terminali, i quali terminano con gli alveoli. Queste ramificazioni servono per aumentare la superficie degli alveoli (circa 80 m²). Negli alveoli avviene lo scambio di gas; il resto delle vie aeree non è in grado di scambiare gas ed è perciò detto spazio morto.

Le vie aeree servono anche a:

• Riscaldare l'aria → L'aria troppo fredda danneggia gli alveoli
• Umidificare l'aria → L'aria troppo secca secca gli alveoli e li danneggia

La mucosa che riveste le vie respiratorie è chiamata endotelio respiratorio. La sua struttura è variabile:

• In bronchi, bronchioli e trachea è formata da:
  • Ghiandole mucose → Producono muco che intrappola microrganismi e polvere; il muco è riversato sulle pareti di bronchi e bronchioli
  • Cellule ciliate → Spostano il muco verso l'alto, verso il punto di incontro della faringe con l'esofago, dove viene deglutito (il muco contiene anche immunoglobuline quindi svolge funzioni immunitarie)
• Negli alveoli è formata da:
  • Pneumociti
    • Di tipo 1 → Costituiscono la parete alveolare (fanno struttura)
    • Di tipo 2 → Producono un tensioattivo (il surfactante) che abbassa la tensione superficiale
  • Macrofagi → Difesa

Le pareti alveolari non hanno tessuto muscolare; esse sono rivestite da fibre elastiche (sempre un po' tirate) e tessuto connettivo. Sono inoltre presenti reti di capillari per fare scambi gassosi. La membrana respiratoria è il punto di contatto tra alveolo e capillare. È formata da:

• Epitelio alveolare → Parete dell'alveolo
• Membrana basale su cui poggia l'epitelio alveolare
• Membrana basale dell'epitelio capillare
• Endotelio capillare → Epitelio del capillare

Essa è la barriera che devono attraversare O₂ e CO₂ quindi deve essere molto sottile; è per questo che non vi è muscolo.

Pleure

I polmoni sono contenuti nella gabbia toracica, una struttura ossea delimitata dalle coste sotto di cui si trova il diaframma. Ciascun polmone è ricoperto da un sacco pleurico, il quale forma un involucro a doppia membrana sul polmone. Il sacco pleurico è formato da due foglietti:

• Foglietto più interno → Pleura viscerale → Attaccato al polmone
• Foglietto più esterno → Pleura parietale → Attaccato alla gabbia toracica

In mezzo a questi foglietti si trova una piccola quantità di liquido pleurico, il quale svolge diverse funzioni:

• Consente lo scorrimento dei due foglietti pleurici
• Garantisce l'adesione tra i due foglietti (perché il liquido pleurico è molto poco), di conseguenza i polmoni risultano sempre attaccati alla gabbia toracica (in condizioni fisiologiche) e ne seguono i movimenti

Meccanica della ventilazione polmonare

Nell'apparato respiratorio possiamo definire varie pressioni:

• P alveolare (P _alv) → Pressione esercitata dall'aria sulle pareti degli alveoli
• P intrapleurica → Pressione esercitata dal liquido pleurico sulle pareti delle pleure
• P transpolmonare → Combinazione di queste due pressioni
• P atmosferica → P dell'aria che ci circonda

Tutte queste pressioni sono misurate in mmHg. Un fluido passa da un compartimento all'altro solo se c'è un gradiente di pressione; quindi l'aria può passare dall'ambiente esterno ai polmoni solo se c'è una differenza di pressione. I gradienti di pressione si creano a causa del cambiamento del volume del polmone. Volume e pressione sono messi in relazione dalla legge di Boyle: pressione e volume sono inversamente proporzionali. NB: questa legge vale solo se il compartimento è chiuso.

Il volume del polmone cambia a causa delle contrazioni dei muscoli della gabbia toracica e del diaframma. Quindi la sequenza di eventi è, in ordine: contrazione muscolare → cambio volume polmonare → cambio pressione → flusso d'aria. La respirazione è un processo attivo (cioè c'è spesa di energia), anche quando respiriamo tranquillamente (respirazione a riposo). Nella respirazione forzata si contraggono anche altri muscoli.

Muscoli coinvolti nella respirazione:

• Muscoli inspiratori
  • Muscoli intercostali esterni
  • Diaframma
  • Muscoli scaleno
  • Muscoli sternocleidomastoidei
• Muscoli espiratori → Si contraggono solo con l'espirazione forzata
  • Muscoli intercostali interni
  • Addominali

Variazioni di pressione durante il ciclo respiratorio

Il ciclo respiratorio è composto da:

• Inspirazione → Entrata di aria nei polmoni
• Espirazione → Uscita di aria dai polmoni

Inspirazione: P _alv < P _atm

L'inspirazione è dovuta al fatto che la P alveolare diventa inferiore di quella atmosferica; per fare questo si deve aumentare il volume del polmone. Il diaframma a riposo ha una forma a cupola; quando si contrae si "schiaccia" e il volume del polmone aumenta (perché il polmone segue i movimenti del diaframma). I muscoli intercostali esterni si contraggono: le coste si spostano in avanti e lateralmente quindi il volume del polmone aumenta (perché il polmone è attaccato alle coste).

L'inspirazione è sempre un processo attivo. L'inspirazione va da A1 ad A3 ma da A2 ad A3 la P alveolare inizia a crescere invece che continuare a calare. Questo succede perché la legge di Boyle vale solo per compartimenti chiusi; il polmone è un compartimento aperto (perché collegato con le vie aeree) quindi man mano che il polmone si espande inizia ad entrare sempre più aria con un conseguente aumento di pressione. Nel punto A3 si ha la fine dell'inspirazione: l'aria smette di entrare perché non c'è più un gradiente di pressione.

Espirazione: P _alv > P _atm

L'espirazione è dovuta al fatto che la P alveolare diventa maggiore di quella atmosferica; per fare questo si deve diminuire il volume del polmone. Nell'espirazione tranquilla non si contraggono muscoli; è un processo passivo: i muscoli inspiratori si rilassano e quelli espiratori non si contraggono. La diminuzione del volume polmonare è data dal ritorno elastico cioè le fibre elastiche che erano super tirate durante l'inspirazione quando si rilassano si riaccorciano. Nell'espirazione forzata si contraggono i muscoli espiratori, i quali amplificano ancora di più la diminuzione del volume polmonare.

L'espirazione va da A3 ad A5 ma da A4 ad A5 la P alveolare inizia a diminuire invece che continuare a crescere. Questo succede perché la legge di Boyle vale solo per compartimenti chiusi; il polmone è un compartimento aperto (perché collegato con le vie aeree) quindi man mano che il polmone si riduce inizia ad uscire sempre più aria.