1 H Curtis N S Barnes A Schnek
1
H. Curtis, N. S. Barnes, A. Schnek, G. Flores Invito alla biologia. blu C – Il corpo umano 2
Il sistema respiratorio 3 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio In biologia respirazione ha due significati: 1. a livello cellulare indica le reazioni chimiche avvengono nei mitocondri, richiedono ossigeno e sono fonte di energia; 1. a livello di organismo indica il processo con il quale si assume ossigeno e si elimina diossido di carbonio da e verso l’esterno. 4 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio Il metabolismo basale è il consumo di energia minimo in condizioni di riposo ed è direttamente proporzionale al consumo di ossigeno. I tassi metabolici aumentano con l’attività fisica: chi svolge un esercizio fisico necessita di una quantità di glucosio 15 -20 volte superiore a chi si trova a riposo e di conseguenza ha anche bisogno di più ossigeno. 5 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio La ventilazione polmonare (entrata e uscita di aria dal sistema respiratorio) è suddivisa in respirazione esterna e interna. Lo scambio di gas avviene per diffusione. La respirazione esterna avviene a livello di alveoli polmonari con lo scambio di ossigeno e diossido di carbonio tra l’aria che entra e il sangue. La respirazione interna avviene a livello cellulare e riguarda lo scambio di gas tra sangue e liquido extracellulare dei tessuti. 6 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio La pressione atmosferica viene misurata attraverso un barometro: un tubo di vetro con mercurio, chiuso da un lato e capovolto in una bacinella con mercurio. A livello del mare, l’aria circostante esercita una pressione di 1 atmosfera, ossia 1 Kg per cm 2, che corrisponde a una colonna d’acqua alta 10 metri o a una colonna di mercurio altra 760 mm. 7 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Funzioni del sistema respiratorio Pressione di una miscela di gas: • l’aria è una miscela di gas e la pressione in questo caso è data dalla somma delle pressioni parziali esercitate dai singoli gas che la compongono; • la pressione di ogni gas è proporzionale alla sua concentrazione nella miscela; • durante la diffusione ciascun gas tende a spostarsi da una regione con pressione parziale maggiore a una minore. 8 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Porzione di conduzione: ha la funzione prevalente di trasportare l’aria, comprende naso, faringe, laringe, trachea, bronchioli e bronchioli terminali. Porzione polmonare: che comprende gli alveoli, strutture dove avviene lo scambio di gas con il sangue. Vie aeree superiori: naso e faringe. Vie aeree inferiori: laringe, trachea, bronchi e polmoni. 9 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio L’aria può entrare dalla bocca e dalle cavità nasali che la riscaldano e trattengono le impurità, passa quindi dalla faringe. 10 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Il naso è l’entrata preferenziale a riposo, è formato all’esterno da cartilagine. La cavità nasale è divisa in due dal setto nasale, formando le due narici, sono presenti 3 conche (superiore, media e inferiore) costituite da ripiegamenti che aumentano la superficie a contatto con l’aria. Le impurità vengono trattenute nel muco, l’aria viene riscaldata. 11 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Nel naso ci sono le cellule calciformi che producono muco che trattiene le particelle di polvere e rende l’aria in entrata umida. Le ciglia muovono il muco verso la faringe, la sua deglutizione è un meccanismo di difesa contro i microrganismi esterni. Fumo e sbalzi di temperatura paralizzano le ciglia. Le cellule olfattive trasmettono al cervello informazioni sugli odori, i condotti naso-lacrimali raccolgono le lacrime, i seni paranasali umidificano e riscaldano l’aria. 12 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio La faringe è un organo muscolare che comunica sia con il sistema respiratorio, sia digerente. Nella faringe sono presenti le tonsille, ghiandole del sistema immunitario e lo sbocco dell’orecchio mediante le trombe di Eustachio. Quando la pressione cambia, attraverso deglutizione e sbadigli si aumenta la pressione faringea e quindi quella dell’orecchio. Dalla faringe partono due canali: trachea ed esofago. La faringe si trova in continuità con la laringe. 13 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio La laringe si trova davanti all’esofago e prima della trachea. Glottide: sito della fonazione contiene le corde vocali. Corde vocali: lamine di tessuto elastico che vibrando al passaggio dell’aria producono suoni di diversa intensità. È formata da otto cartilagini rigide, quella tiroidea protegge la parte anteriore della ghiandola, e da una elastica detta epiglottide, che si chiude al passaggio di cibo. Pomo d’Adamo: sporgenza che si muove verso l’alto durante la deglutizione, visibile nei maschi; è formato da cartilagine tiroidea e strato adiposo. 14 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Dalla laringe l’aria passa nella trachea. Pareti rinforzate da anelli cartilaginei a forma di C: su un lato l’anello a contatto con l’esofago si interrompe e rimane solo una membrana muscolare. La trachea si interrompe a livello della quinta vertebra toracica, dove si origina il bronco principale sinistro e destro. 15 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio La trachea si divide in due bronchi principali che si dividono in ramificazioni più piccole, i bronchioli. Bronchi e bronchioli sono circondati da un sottile strato muscolare liscio e i bronchi sono sostenuti da anelli incompleti di cartilagine. Al diminuire del diametro dei bronchi, la cartilagine viene sostituita da limine, fino a scomparire, mentre aumenta la muscolatura liscia. Contrazione e rilassamento regolano a resistenza al flusso d’aria, l’istamina fa contrarre la muscolatura liscia con broncocostrizione. 16 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Trachea, bronchi e bronchioli sono rivestiti da cellule epiteliali con cellule ciliate e secernenti muco. Il muco trattiene le particelle estranee, le ciglia spingono il muco verso la faringe e la tosse ha lo scopo di rimuovere il muco in eccesso. 17 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio I polmoni sono organi spugnosi a forma di cono che occupano gran parte della cavità toracica. 18 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio La pleura è una membrana sierosa che avvolge i polmoni ed è formata da due foglietti: parietale che riveste la cavità toracica; viscerale che aderisce alla superficie del polmone; Tra i due strati si trova un liquido che permette lo scorrimento reciproco. Quando la pleura è integra la pressione intratoracica è minore di quella atmosferica e i polmoni restano gonfi. Se per un trauma entra aria nella pleura, i polmoni collassano e non si riesce più a inspirare: pneumotorace. 19 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Scissura cardiaca: si trova sul polmone sinistro ed è dovuta alla presenza del cuore. La scissura divide il polmone sinistro in due lobi, inferiore e superiore, ciascuno ospita un bronco secondario. Il polmone destro è più grande, presenta due scissure ed è suddiviso in tre lobi: superiore, intermedio e inferiore. Ogni lobo si suddivide in strutture che hanno in comune un bronco terziario che si divide in bronchioli e quindi in bronchioli terminali. 5 -7 bronchioli terminali determinano un lobulo polmonare, insieme ad arteriole, venule e vasi linfatici. 20 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Gli alveoli sono piccoli sacchi di aria alle estremità dei bronchioli più piccoli, l’insieme degli alveoli costituisce i polmoni. Sono formati da epitelio squamoso semplice, cellule ghiandolari che producono il liquido alveolare e cellule che catturano parti estranee. Nel liquido è presente il surfactante, un insieme di fosfolipidi e lipoproteine che impedisce il collasso degli alveoli durante l’espirazione. 21 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio Ci sono 300 milioni di alveoli per una superficie respiratoria di 70 metri quadri. I pori alveolari garantiscono la comunicazione con gli alveoli adiacenti. Sono circondati da capillari sanguigni e la parete che li separa è sottile. Lo scambio dei gas tra aria e sangue avviene per diffusione. 22 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Anatomia sistema respiratorio 23 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria Volumi respiratori: • normalmente respiriamo un volume d’aria di circa 500 ml; • quando inspiriamo in maniera forzata introduciamo circa 2000 -3000 ml di aria, detto volume di riserva inspiratorio; • il volume di riserva espiratorio è invece pari a 1200 ml; • la capacità vitale dell’organismo è la somma del volume corrente più i due volumi di riserva, può raggiungere anche i 5000 ml in un uomo giovane e sano; • il volume residuo è la quantità di aria che rimane all’interno anche dopo l’espirazione forzata (1200 ml). 24 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria Lo spirometro permette di misurare i valori volumetrici di aria. Possono essere misurati tutti i volumi polmonari, tranne quello residuo. La ventilazione polmonare è la quantità d’aria che esce ed entra nei polmoni in un minuto: questa misura varia a seconda di sesso, età e attività fisica. 25 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria La sequenza del ciclo respiratorio: • inspirazione - quando la pressione alveolare è inferiore a quella atmosferica; • espirazione - quando la pressione alveolare è superiore a quella atmosferica. La pressione nei polmoni varia grazie a contrazione e rilassamento del diaframma e dei muscoli intercostali esterni. A ogni respiro solo il 10% dell’aria viene scambiata, ma con una respirazione volontaria profonda si può raggiungere anche l’ 80%. 26 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria 27 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
La meccanica respiratoria 28
La meccanica respiratoria Eupnea: successione di inspirazione ed espirazione eseguita in situazioni normali. Tosse: inspirazione lunga e profonda seguita da violenta espirazione. Starnuto: spasmo molto forte dei muscoli espiratori che produce espulsione di aria e saliva dal naso e dalla bocca. Singhiozzo: spasmo del diaframma e della faringe, dovuto a irritazione delle mucose. Risata e pianto: inspirazione a cui seguono brevi e ritmiche espirazioni. Sbadiglio: inspirazione profonda e prolungata con apertura della mandibola. 29 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas L’ossigeno è insolubile nel plasma sanguigno e per trasportarlo sono necessarie delle molecole proteiche note come pigmenti respiratori. Nei vertebrati tale pigmento è l’emoglobina. 30 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas L’emoglobina è costituita da 4 subunità ciascuna delle quali comprende un’unità eme e una catena polipeptidica. È un pigmento rosso che diventa più brillante se legato a ossigeno. Unità eme: complessa struttura ad anello contenente azoto, al centro della quale troviamo un atomo di ferro. Ogni unità eme si combina con una molecola di ossigeno, perciò una molecola di emoglobina lega 4 molecole di ossigeno. Nei globuli rossi sono ammassate fino a 265 milioni di molecole di emoglobina. 31 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas Il legame ossigeno-emoglobina avviene in base al valore della pressione parziale di ossigeno. Nei capillari alveolari la pressione parziale dell’ossigeno è alta (160 mm. Hg nell’aria) e quindi si combina con l’emoglobina. Al diminuire della pressione parziale dell’ossigeno, questo si separa dall’emoglobina. Nei tessuti a seguito delle attività metaboliche la pressione parziale è pari a 40 mm. Hg. 32 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas Il monossido di carbonio: è un gas inodore e incolore; si trova nei gas di scarico, nei fumi degli impianti di riscaldamento e in quelli delle sigarette; se inspirato si lega all’emoglobina 200 volte più saldamente dell’ossigeno in modo stabile, causando ipossia (carenza di ossigeno); servono dai 40 agli 80 minuti per dimezzare la quantità di monossido nel circolo sanguigno di una persona intossicata. 33 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas Scambio di diossido di carbonio: il CO 2 è più solubile dell’ossigeno. Si trova per il 7% disciolto nel plasma, il 23% si trova legato all’emoglobina e il 70% si lega con acqua per formare acido carbonico. 34 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Trasporto e scambio dei gas Nei tessuti dove la pressione parziale è alta si formano ione bicarbonato e ione idrogeno. Nei polmoni dove la pressione parziale di diossido è bassa, l’acido carbonico si dissocia per formare diossido di carbonio e acqua. Una volta liberato, il CO 2 diffonde dal plasma verso gli alveoli ed esce dai polmoni. Anidrasi carbonica, enzima nei globuli rossi che catalizza la reazione del diossido di carbonio con acqua. 35 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione I centri respiratori del tronco cerebrale regolano: velocità e profondità del respiro; espirazione e inspirazione a riposo; respirazione forzata volontaria; frequenza della respirazione; prolungamento dell’inspirazione; la respirazione è ritmica e autonoma, ma può essere controllata volontariamente attraverso la contrazione del diaframma e dei muscoli del torace. 36 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione I neuroni respiratori attivano quelli motori nel midollo spinale che a loro volta stimolano la contrazione del diaframma e dei muscoli intercostali esterni permettendo l’inspirazione (2 secondi). Quando si interrompe i muscoli si rilassano e il polmone torna alla sua forma iniziale. L’espirazione è un fenomeno passivo che dura circa 3 secondi. 37 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione I chemiorecettori centrali si trovano a livello di midollo allungato, risentono della concentrazione di diossido di carbonio e ioni idrogeno nel liquido cefalo-rachidiano. I chemiorecettori periferici si trovano a livello di arco aortico e delle arterie carotidi, influenzano la pressione arteriosa, risentono di ossigeno, diossido di carbonio e ione idrogeno nel sangue. Se la concentrazione di CO 2, e quindi quella di H+, aumenta, la respirazione diventa più profonda e veloce. In caso di iperventilazione si possono avere capogiri a causa dell’aumento di H+ nel sangue e nel cervello. 38 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione 39 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione Febbre e alte temperature aumentano frequenza e profondità del respiro. Freddo e condizioni di ipotermia rallentano il respiro, se siamo in acque gelide si entra per pochi istanti in apnea. Un dolore breve e intenso provoca apnea, un dolore prolungato aumenta la frequenza respiratoria. 40 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
Il controllo della respirazione I recettori del movimento o propriorecettori, in caso di attività fisica stimolano il centro inspiratorio per aumentare la ventilazione. I recettori di stiramento o tensorecettori, attivano l’espirazione quando si ha un aumento del diametro bronchiale all’inspirazione. 41 Curtis et al. Invito alla biologia. blu © Zanichelli editore 2012
- Slides: 41