APPARATO RESPIRATORIO La respirazione e gli scambi gassosi BIOLOGIA IL CORPO UMANO LEZIONE N.7A slide n. 39 APPARATO RESPIRATORIO La respirazione e gli scambi gassosi IV Liceo SCIENZE APPLICATE Prof. Fabrizio CARMIGNANI fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com IISS “Mattei” – Rosignano S. (LI)

ANATOMIA COMPARATA

MECCANISMI alla BASE degli SCAMBI GASSOSI GLI ANIMALI SCAMBIANO O2 e CO2 ATTRAVERSO SUPERFICI CORPOREE UMIDE Negli animali, l’ossigeno diffonde all’interno del corpo e l’ anidride carbonica viene liberata nell’ambiente circostante attraverso una superficie respiratoria La SUPERFICIE RESPIRATORIA è costituita da cellule vive le cui membrane cellulari devono essere bagnate per poter svolgere la loro funzione

SUPERFICIE CUTANEA RESPIRATORIA LOMBRICO (Anellidi) gli scambi gassosi avvengono a livello di tutta la superficie del corpo PIANO della SEZIONE SEZIONE TRASVERSALE della superficie respiratoria (pelle che ricopre il corpo) CAPILLARI CO2 O2 SUPERFICIE CUTANEA RESPIRATORIA

PESCI - INSETTI - MAMMIFERI Nella maggior parte degli animali alcune parti del corpo si sono trasformate (specializzate) in SUPERFICI RESPIRATORIE Superficie corporea respiratoria (TRACHEE) Cellule del corpo (trachee non a contatto con i capillari) O2 CO2 Superficie corporea Superficie respiratoria (BRANCHIA) Capillari CO2 O2 Superficie corporea Superficie respiratoria (all’interno del POLMONE) Capillari CO2 O2 TRACHEE BRANCHIE POLMONI

Ciò comporta 2 grossi vantaggi: ANIMALI INVERTEBRATI INSETTI (Artropodi) Le TRACHEE degli insetti garantiscono uno scambio gassoso diretto tra l’aria e le cellule del corpo Negli ANIMALI TERRESTRI gli scambi gassosi avvengono attraverso l’aria che viene respirata Ciò comporta 2 grossi vantaggi: l’aria ha una concentrazione di O2 molto elevata (circa 21%) è molto leggera e facile da spostare

SISTEMA TRACHEALE di un INSETTO Gli INSETTI hanno un vasto sistema di tubi interni chiamati TRACHEE con molteplici ramificazioni più strette, dette TRACHEOLE, che trasportano l’O2 direttamente alle cellule del corpo. SACCHE AEREE TRACHEE STIGMA LM 250 CELLULA TRACHEOLA SACCA AEREA TRACHEA Rivestimento esterno del corpo CO2 O2 SISTEMA TRACHEALE di un INSETTO

lo scambio dei gas avviene in 3 fasi ANIMALI VERTEBRATI lo scambio dei gas avviene in 3 fasi O2 1 1 RESPIRAZIONE 1 POLMONE CO2 SISTEMA CIRCOLATORIO 2 TRASPORTO di GAS TRAMITE il SISTEMA CIRCOLATORIO 2 2 CELLULA 3 SCAMBI GASSOSI tra SANGUE e TESSUTI O2 3 3 CO2 MITOCONDRI CAPILLARI Le 3 FASI dello SCAMBIO GASSOSO

Sacche AEREE degli ALVEOLI Lo scambio di gas fornisce O2 per la respirazione cellulare e rimuove il suo principale prodotto di rifiuto, cioè la CO2 Grazie all’O2, tutte le cellule del corpo possono ottenere energia dalle molecole degli alimenti che l’organismo ha digerito e assorbito Sacche AEREE degli ALVEOLI

Le BRANCHIE sono organi specializzati per gli scambi gassosi nell’ambiente acquatico Le branchie sono estensioni, o ripiegamenti esterni, della superficie corporea che assorbono l’O2 disciolto nell’acqua. L’area della superficie respiratoria delle branchie dei PESCI è molto più estesa rispetto al resto della superficie del corpo PESCI BRANCHIE ANFIBI

VERTEBRATI ACQUATICI PESCI PESCI lo scambio dei gas è intensificato dalla ventilazione e dallo scambio controcorrente tra sangue e acqua che fluiscono l’uno in senso opposto all’altra ARCO BRANCHIALE Direzione del flusso dell’acqua Arco branchiale VASI SANGUIGNI Filamenti branchiali Sangue ricco di ossigeno Sangue povero LAMELLA 15% 40% 70% 100% 60% 80% 30% 5% % di O2 nell’acqua che fluisce sopra le lamelle % di O2 nel sangue che fluisce attraverso i capillari all’interno delle lamelle SCAMBIO CONTROCORRENTE Struttura delle BRANCHIE di un PESCE

si evolvono strutture sempre più complesse ed efficienti: i POLMONI VERTEBRATI TERRESTRI si evolvono strutture sempre più complesse ed efficienti: i POLMONI RETTILI, UCCELLI, MAMMIFERI e molti ANFIBI utilizzano i POLMONI per effettuare gli scambi gassosi I polmoni occupano una zona limitata del corpo dell’animale e sono collegati ad un sistema circolatorio che trasporta i gas al resto del corpo. Le dimensioni e la complessità dei polmoni sono correlate alla velocità del metabolismo dell’animale (quindi al suo fabbisogno di ossigeno)

INSPIRAZIONE ed ESPIRAZIONE negli UCCELLI Nel sistema respiratorio degli UCCELLI l’aria scorre in una sola direzione ARIA SACCHE AEREE ANTERIORI POSTERIORI TRACHEA POLMONI Tubi dove passa l’aria 1 mm ESPIRAZIONE: Sacche aeree vuote; polmoni pieni d’aria INSPIRAZIONE: sacche aeree piene d’aria INSPIRAZIONE ed ESPIRAZIONE negli UCCELLI

APPARATO RESPIRATORIO UMANO

Apparato RESPIRATORIO UMANO E’ costituito dalle VIE RESPIRATORIE (superiori ed inferiori) e dai POLMONI L’apparato respiratorio umano è costituito dai seguenti organi: NARICI, COANE NASALI,FARINGE,LARINGE TRACHEA,BRONCHI, BRONCHIOLI e ALVEOLI POLMONARI (CUORE) DIAFRAMMA BRONCHIOLO BRONCO POLMONE DESTRO TRACHEA LARINGE (ESOFAGO) FARINGE CAVITÀ NASALE SINISTRO Apparato RESPIRATORIO UMANO

Successivamente si collega al canale dell'ESOFAGO FARINGE La FARINGE è un organo a forma di imbuto, muscolo-membranoso comune sia alle vie respiratorie che a quelle digerenti Comincia all'altezza delle coane nasali con l' apertura superiore faringea (porzione rinofaringea) prosegue poi all'altezza dell'istmo delle fauci (porzione orofaringea) e termina all'altezza della VI vertebra cervicale (porzione laringofaringea detta ipofaringe) Successivamente si collega al canale dell'ESOFAGO

La FARINGE è un importante crocevia anatomico e funzionale tra gli apparati digerente e respiratorio, considerato il passaggio sia di bolo che di aria all'interno del canale faringeo Presenta nel suo epitelio organi linfoidi (TONSILLE) che garantiscono difesa aspecifica contro eventuali agenti patogeni La FARINGE attraverso la tromba di EUSTACHIO è in comunicazione con l'orecchio medio Per questo svolge una funzione primaria nel mantenimento dell'equilibrio pressorio nell'orecchio medio

LARINGE Organo impari e mediano, a forma di piramide triangolare, posto nella regione anteriore del collo appena sotto la faringe e che si continua verso il basso con la TRACHEA I rapporti anatomici della LARINGE sono, a livello posteriore, con la faringe e l'esofago, mentre anteriormente e lateralmente, con la tiroide E’ separata dalle vie digestive superiori, durante la deglutizione, da una valvola chiamata EPIGLOTTIDE La laringe è formata da uno scheletro cartilagineo rivestito prevalentemente da mucosa di tipo respiratorio e tramite la vibrazione delle CORDE VOCALI è la sede della fonazione

CORDE VOCALI Si trovano all’interno della LARINGE ed a causa delle dimensioni maggiori della laringe nell'uomo, rispetto alla donna, il timbro di voce femminile risulta più acuto di quello maschile. Le corde vocali sono: 2 superiori (false): più sottili e quasi prive di muscolatura, che hanno funzione protettiva e non servono, di norma, per la fonazione ma, se stimolate, producono un suono sordo e rauco La fonazione di "false corde" avviene per patologie della laringe Le corde vocali (vere) sono costituite da importanti fasci muscolari (muscoli vocali) rivestiti da una mucosa pavimentata appoggiata su uno strato sottomucoso denso ("spazio di Rejnke“) e proprio grazie a questa struttura hanno funzione fonatoria Le corde vocali vere delimitano uno spazio virtuale, chiamato GLOTTIDE, attraverso cui avviene il passaggio dell'aria in trachea

Le CORDE VOCALI viste dalla LARINGE TRACHEA Le CORDE VOCALI viste dalla LARINGE

TRACHEA Tubo semirigido, lungo circa 12 cm formato da una serie di anelli cartilaginei (16-20) uniti tra loro da tessuto connettivo Si divide poi nei 2 BRONCHi che sfociano nei rispettivi polmoni (dx e sx) Gli anelli cartilaginei sono incompleti per permettere l'espansione dell'esofago durante la deglutizione. La sua funzione è di trasferire l'aria dall'esterno verso i polmoni All’interno troviamo un epitelio di rivestimento ciliato (EPITELIO RESPIRATORIO) con presenza di ciglia e ghiandole mucose

Le CIGLIA si muovono in senso verticale ed insieme al MUCO filtrano le sostanze introdotte attraverso la respirazione Il muco intrappola il particolato (polvere,polline,batteri, ecc..) in modo che le vie aeree vengano tenute pulite Le ciglia spingono il muco verso la laringe e poi nell’esofago e quindi nello stomaco dove i succhi gastrici lo eliminano Se respiriamo aria fredda le ciglia rallentano la loro attività, sfavorendo il movimento del muco, il quale si accumula Se queste strutture sono infiammate il muco prodotto rimane nella trachea, diventando un mezzo di coltura ottimale per i batteri La NICOTINA delle sigarette provoca il blocco della vibrazione delle ciglia dell’epitelio respiratorio (laringe, trachea e bronchi ) con accumulo di muco e conseguente tosse

Struttura degli ALVEOLI I BRONCHIOLI terminano in sacche aeree, dette ALVEOLI, riunite in grappoli Ogni alveolo è costituito da un sottile strato di cellule epiteliali attraverso cui avvengono gli scambi gassosi Colonizzato SEM 6200 Sangue ricco di ossigeno BRONCHIOLO sangue povero di ossigeno ALVEOLI Capillari sanguigni Struttura degli ALVEOLI

VENTILAZIONE POLMONARE La respirazione polmonare è l’alternarsi di INSPIRAZIONI ed ESPIRAZIONI Grazie alla ventilazione, sulla superficie di scambio dei gas respiratori viene mantenuta alta la concentrazione di O2 e bassa quella di CO2

i muscoli intercostali Respirazione a pressione negativa: la contrazione dei muscoli intercostali e del diaframma fa aumentare il volume della cavità toracica e riduce la pressione dell’aria negli alveoli La cassa toracica si espande quando i muscoli intercostali si contraggono ARIA INSPIRATA si contrae quando si rilassano ESPIRATA POLMONE DIAFRAMMA DIAFRAMMA si rilassa (si alza) DIAFRAMMA si contrae (si abbassa) INSPIRAZIONE ESPIRAZIONE INSPIRAZIONE ed ESPIRAZIONE nel corpo umano

Il massimo volume di aria che possiamo inspirare ed espirare è chiamato CAPACITÀ VITALE I polmoni contengono più aria rispetto alla capacità vitale: nei polmoni rimane sempre un volume residuo di aria che impedisce agli alveoli di collassare PROVA DOCIMASICA Prova che si effettua in medicina legale sui POLMONI per vedere se un neonato morto è nato vivo oppure se era già morto alla nascita Si esegue la prova del galleggiamento che consiste nell’immergere, previa legatura della trachea, bronchi e polmoni, in un grosso vaso pieno d’acqua. Il polmone che ha respirato, almeno una volta, ha un peso specifico inferiore a quello dell’acqua e galleggia  quello che non ha respirato, invece, essendo più pesante va a fondo

CONTROLLO della RESPIRAZIONE: involontario I CENTRI di CONTROLLO DELLA RESPIRAZIONE, situati nell’encefalo, regolano il ritmo respiratorio in base alle esigenze dell’organismo , monitorando la concentrazione di CO2 nel sangue. CERVELLO Liquido cerebrospinale PONTE MIDOLLO ALLUNGATO Segnali nervosi che inducono la contrazione dei muscoli CENTRI DI CONTROLLO DELLA RESPIRAZIONE stimolati da: Aumento di CO2 = diminuzione del pH nel sangue Segnale nervoso che rileva i livelli di CO2 e O2 Sensore per CO2 e O2 nell’aorta DIAFRAMMA MUSCOLI INTERCOSTALI Centri di controllo che regolano la RESPIRAZIONE

Il principale segnale che indica un aumento della concentrazione di CO2 nel sangue è rappresentato da lievi cambiamenti nel pH del sangue e del liquido che bagna l’encefalo Quando nel sangue aumenta la concentrazione di CO2, il pH diminuisce e aumentano il numero e la profondità degli atti respiratori

Gli scambi gassosi tra sangue e tessuti seguono un gradiente di pressione Una parte del cuore pompa sangue povero di ossigeno ai POLMONI dove lega O2 e libera CO2 Una parte del cuore pompa il sangue ricco di ossigeno alle cellule del CORPo dove libera O2 e lega CO2

Scambio e trasporto dei gas nel CORPO UMANO ARIA ESPIRATA ARIA INSPIRATA SPAZI ALVEOLARI Cellule epiteliali degli alveoli CO2 O2 Sangue povero di CO2 e ricco di O2 Sangue ricco di O2 e povero di CO2 CUORE Capillari tessutali Liquido interstiziale CELLULE TESSUTALI di TUTTO il CORPO Capillari alveolari del polmone

Lo scambio dei gas tra i capillari e le cellule circostanti avviene per DIFFUSIONE secondo un GRADIENTE di PRESSIONE Ciascuno dei gas presenti in una miscela è responsabile di una parte, detta PRESSIONE PARZIALE, della pressione totale della miscela. Un gas diffonde da una regione con pressione parziale maggiore a una con pressione parziale minore

L’EMOGLOBINA acquista e cede OSSIGENO L’EMOGLOBINA contribuisce al trasporto di O2 e CO2 e a regolare il pH del sangue L’emoglobina trasporta l’ossigeno (legandolo o rilasciandolo, a seconda della situazione), contribuisce al trasporto del diossido di carbonio nel sangue e regola il pH ematico, impedendone bruschi cambiamenti. Atomo di ferro GRUPPO EME Ossigeno prelevato nei polmoni Ossigeno liberato nei tessuti CATENA POLIPEPTIDICA L’EMOGLOBINA acquista e cede OSSIGENO

La maggior parte della CO2 nel sangue è trasportato nel PLASMA come IONE BICARBONATO La CO2 reagisce con l’acqua, grazie all’enzima ANIDRASI CARBONICA, formando acido carbonico (H2CO3) Le molecole di H2CO3 si dissociano poi in ioni H+ e ioni HCO3– L’enzima ANIDRASI CARBONICA catalizza anche la reazione inversa. Il senso della reazione dipende dalla concentrazione di CO2 H2CO3 ANIDRASI CARBONICA CO2 + H2O H+ HCO3– Anidride carbonica acqua ione idrogeno bicarbonato A livello POLMONARE Bassa concentrazione di CO2 Reazione da DX a SX A livello TESSUTALE Alta concentrazione di CO2 Reazione da SX a DX

Collegamenti: EMBRIOLOGIA Gli scambi gassosi nel FETO avvengono attraverso la circolazione materna Un feto umano scambia gas con il sangue materno attraverso la PLACENTA PLACENTA con vasi sanguigni materni e capillari del feto CORDONE OMBELICALE con vasi sanguigni del feto LIQUIDO AMNIOTICO UTERO Un FETO umano e la PLACENTA nell’UTERO

La molecola che trasporta l’ossigeno dal sangue materno al feto prende il nome di EMOGLOBINA FETALE Alla nascita, l’aumento di CO2 nel sangue del bambino causa una drastica caduta del pH che stimola i centri di controllo della respirazione.

PATOLOGIE dell’ APPARATO RESPIRATORIO In generale, si possono suddividere in: INFEZIONI ACUTE delle vie respiratorie che rappresentano patologie molto frequenti Si tratta di malattie virali o batteriche, ad andamento stagionale. AFFEZIONI CRONICHE del sistema respiratorio che sono legate soprattutto a fattori irritanti come ad esempio il fumo di sigaretta e l’ inquinamento atmosferico

DANNI del FUMO di SIGARETTA (nicotina) Il FUMO irrita le cellule che rivestono i bronchi, inibisce i movimenti delle ciglia dell’epitelio bronchiale e distrugge i macrofagi (globuli bianchi che inglobano particelle e microrganismi difendendoci dai germi patogeni) POLMONE CUORE Polmoni sani (sx) e polmoni colpiti da cancro (dx)

FINE LEZIONE N.7A APPARATO RESPIRATORIO Grazie per l’attenzione E ricordatevi…… …Considerate la vostra semenza fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza… DANTE ALIGHIERI (Divina Commedia, INFERNO, canto XXVI , 118-120) Prof. CARMIGNANI FABRIZIO fabcar@hotmail.it www.fabriziocarmignani.com