SCAMBI RESPIRATORI E TRASPORTO DEI GAS

Funzione principale dell’apparato respiratorio è quella di: prelevare ossigeno (O2) dall’ambiente (aria atmosferica) distribuirlo alle cellule dell’organismo (sistema circolatorio) asportare dalle cellule l’anidride carbonica (CO2)

FISICA DEGLI SCAMBI GASSOSI Sostanze liposolubili: una sostanza liposolubile diffonde attraverso la membrana. L’O2 e la CO2 sono sostanze liposolubili Il gradiente di concentrazione è l’energia che permette la diffusione di una sostanza. La Velocità di diffusione oltre a essere direttamente proporzionale al gradiente di pressione e alla superficie di scambio è direttamente proporzionale alla solubilità e inversamente alla radice quadrata del peso molecolare del gas. La diffusione netta avviene dal punto dove il gas è più concentrato ( > pressione) verso il punto con minor concentrazione ( < pressione).

Aria atmosferica (secca) COMPOSIZIONE DELL'ARIA e DEL SANGUE GAS Aria atmosferica (secca) Aria umidificata Aria alveolare Sangue venoso Sangue arterioso Mm/Hg % N2 598 79 563 74 569 75 573 - O2 159 20.9 149 19.7 104 13.6 40 15 100 20 CO2 0.3 0.03 46 52 48 H2O 47 6.2 Totale 760 Valori approssimativi di un soggetto maschio sano al livello del mare.

ARIA ESPIRATA L’aria espirata è una miscela di aria dello spazio morto e di aria alveolare. Durante l’espirazione la prima porzione di aria è semplicemente aria atmosferica umidificata (spazio morto). Con il procedere dell’espirazione l’aria dello spazio morto si mescola all’aria alveolare. Al termine dell’espirazione l’aria espirata corrisponde all’aria alveolare.

DIFFUSIONE ALVEOLO-CAPILLARE CO2 L’Ossigeno diffonde dall’alveolo (PO2 = 104 mmHg) al capillare polmonare (PO2 = 40 mm/Hg).La PO2 del sangue aumenta fino ad eguagliare la PO2 alveolare. Questo a riposo avviene in circa 1/3 del tempo che il sangue impiega a percorrere il capillare. La CO2 diffonde dal capillare (PCO2 = 45 mm/Hg) all’alveolo (PCO2 = 40 mm/Hg) La PCO2 del sangue diminuisce fino ad eguagliare la PCO2 alveolare. Questo avviene in circa 1/10 del tempo che il sangue impiega a percorrere il capillare. Sangue arterioso: PO2 100 mm/Hg; PCO2 40 mm/Hg

O2 CO2 Sangue venoso misto: SCAMBI GASSOSI A LIVELLO DEI CAPILLARI O2 CO2 La PO2 nell’estremo arterioso del capillare è circa 100 mm/Hg. La PO2 nel liquido interstizale è circa 40 mm/Hg. L’O2 diffonde nel liquido e la PO2 all’estremo venoso è circa a 40 mm/Hg La PCO2 nell’estremo arterioso del capillare è circa 40 mm/Hg. La PCO2 nel liquido interstizale è circa 45 mm/Hg. La CO2 diffonde nel sangue e la PCO2 all’estremo venoso è circa 45 mm/Hg Sangue venoso misto: PO2 40mm/Hg; PCO2 45mm/Hg

TRASPORTO OSSIGENO La solubilità dell’Ossigeno nell’acqua (plasma) è molto bassa. La concentrazione di O2 nel plasma arterioso è circa 0.3 vol%. All’interno dei globuli rossi vi è una molecola in grado di legare l’O2: l’EMOGLOBINA (Hb) Nel Sangue il 97% dell’Ossigeno è legato all’Hb (HbO ossiemoglobina) Ogni molecola di Hb può legare 4 molecole di O2 Nel sangue ci sono 15 g/100ml di Hb L’Hb ha una capacità di legare l’ossigeno pari a 1.34 ml/g Il contenuto di ossigeno del sangue quando l'emoglobina è satura è 20.1 ml/100 ml (15*1.34)

CURVA DI DISSOCIAZIONE dell’HbO A: Sangue arterioso normale B: Sangue venoso normale C C: Sangue venoso durante sorzo A: PO2 = 100 mm/Hg saturazione Hb = 97% O2 legato = 19.4 vol% B: PO2 = 40 mm/Hg saturazione Hb = 75% O2 legato = 14.4 vol% differenza artero-venosa = 5 vol% in questo caso ad ogni passaggio nei capillari 100ml di sangue cedono 5ml di ossigeno ai tessuti. C: PO2 = 15 mm/Hg saturazione Hb < 20% O2 legato = 4.4 vol% differenza artero-venosa = 15 vol% in questo caso ad ogni passaggio nei capillari 100ml di sangue cedono 15ml di ossigeno ai tessuti.

EFFETTO BOHR Fattori che spostano a destra la curva di dissociazione dell’HbO: 1) >PCO2: 2) <PH ( > H+); 3) > temperatura; 4) > 2.3 DPG; Durante attività fisica I muscoli in attività liberano CO2 e cataboliti acidi facendo aumentare la concentrazione di H+ e diminuendo il PH. Inoltre la temperatura nel muscolo attivo può aumentare di 2-3°C. lo spostamento a destra RIDUCE l’affinità e quindi AUMENTA la cessione di O2.

TRASPORTO ANIDRIDE CARBONICA La CO2 è molto più solubile dell’O2. Circa il 10% è disciolta nel plasma Circa il 30 % si lega alle proteine plasmatiche e all’Hb Circa il 70% viene trasportato sotto forma di ioni bicarbonato (HCO3-)

H+ + Hb ↔ HHb (emoglobina ridotta) CO2 + H2O ↔ H2CO3 H2CO3 ↔ HCO3- + H+ (la reazione d’idratazione dell’anidride carbonica è catalizzata dall’enzima anidasi carbonica, di cui sono ricchi i globuli rossi) H+ + Hb ↔ HHb (emoglobina ridotta) HCO3- abbandona il globulo rosso per diffusione asportando cariche negative Uno ione cloro (Cl-) si scambia con il bicarbonato (entra nel globulo rosso) per il mantenimento della neutralità elettrica Una molecola d’acqua segue il cloro per il mantenimento dell’equilibrio osmotico Tutte queste reazioni sono reversibili: la direzione delle reazioni dipende dai gradienti di concentrazione di CO2 e di H+

EFFETTO HALDANE

Il controllo del respiro

Come si respira: centri bulbari Quanto si respira: chemocettori Il sistema respiratorio è servito da muscoli volontari, ma il loro funzionamento è controllato automaticamente dal sistema nervoso centrale Il sistema nervoso centrale controlla sia il ritmo del respiro sia la ventilazione polmonare: Come si respira: centri bulbari Quanto si respira: chemocettori centrali e periferici

Mesencefalo Ponte Bulbo Mid. spinale Centro pneumotassico Centro apneustico Ponte Bulbo C. inspiratorio ed espiratorio Mid. spinale

Centro respiratorio bulbare - - E I Respiro “stertoroso”

+ P - n. vaghi - Rifl. di Hering e Breuer A + I E ai m. respiratori

Regolazione chimica del respiro Il pavimento del IV° ventricolo ha proprietà chemocettive: >pCO2 >> profondità e frequenza respiratorie; <pO2 non stimola il respiro I glomi aortici e carotidei sentono le alterazioni della PO2

I chemocettori periferici sono i corpi (glomi) aortici e carotidei, che si trovano rispettivamente sull’arco aortico e alla biforcazione delle carotidi I corpi (glomi) aortici e carotidei sono dei veri piccoli organi, con arteria afferente, vena efferente ed una rete capillare molto ricca Perciò, le cellule di corpi ricevono molto più sangue di toutte le altre cellule: in questo modo, utilizzano l’ossigeno disciolto nel plasma La concentrazione dell’ossigeno disciolto nel plasma è proporzionale alla PO2. I corpi «misurano»  la PO2

Nel sonno e ad alta quota prevalgono invece i corpi I corpi «misurano»  la PO2, ma sono stimolati anche dalla PCO2 e dal pH. I centri bulbari sono sensibili alla PCO2 e ai pH, ma sono inibiti dalla caduta della PO2 Nell’esercizio fisico gli stimoli ai corpi sono coerenti ( PCO2  pH  PO2). In questo caso la respirazione è regolata soprattutto dai centri bulbari Nel sonno e ad alta quota prevalgono invece i corpi

Dispnea: quando ci si accorge di respirare Apnea: quando si trattiene il respiro Iperpnea: quando si respira più del normale Anossia o ipossia: quando diminuisce il consumo d’ossigeno delle cellule; 4 forme: Ipossica Anemica Stagnante Istotossica

Anossia ipossica: la PO2 del sangue arterioso è più bassa del normale Anossia ipossica: la PO2 del sangue arterioso è più bassa del normale. Cause: ridotta pressione atmosferica (in alta quota) Ridotta capacità di diffusione dei polmoni (polmonite) I corpi aortici e carotidei sono stimolati; I centri bulbari sono inibiti. Può presentarsi la respirazione periodica.

RESPIRAZIONE PERIODICA Può manifestarsi anche dopo un’iperventilazione volontaria: il contento di CO2 e di O2 del sangue arterioso cambia, nel tempo, con velocità diverse Respirazione di Cheine-Stocks: respirazione periodica patologica, in caso di trauma o tumore bulbare. Coma grave

Anossia anemica: la capacità del sangue per l’ossigeno è sub-normale: emorragie anemia ipocromica anemia mediterranea Avvelenamento da CO (ossido di carbonio) I chemocettori periferici non sono stimolati perché la PO2 è normale In caso di emorragia i reni producono più eritropoietina, che stimola il midollo emopoietico. Si formano eritrociti nuovi, che compaiono nel sangue come reticolociti

Ipossia stagnante: quando la circulazione del sangue è insufficiente: insufficienza cardiaca trombosi venosa Ipossia istotossica: avvelenamento della catena respiratoria: gli enzimi respiratori dei mitocondri sono bloccati: avvelenamento da cianuro

REGOLAZIONE DEL RESPIRO DURANTE L’ESERCIZIO FISICO I comandi nervosi che fanno contrarre i muscoli fanno anche aumentare la respirazione Segnali riflessi dai recettori muscolari ed articolari sostengono l’iperventilazione I chemocettori centrali (e periferici) regolano la ventilazione alveolare al fine di mantenere costante la PCO2 arteriosa Nell’uomo i riflessi spinali che partono dai muscoli intercostali e dal diaframma sono molto importanti per la regolazione della profondità del respiro (regolazione del volume corrente).