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).
COMPOSIZIONE DELL'ARIA e DEL SANGUE
GAS
Aria atmosferica
(secca)
Aria umidificata
Aria alveolare
Sangue venoso
Sangue arterioso
Mm/Hg
%
Mm/Hg
%
Mm/Hg
%
Mm/Hg
%
Mm/Hg
%
N2
598
79
563
74
569
75
573
-
573
-
O2
159
20.9
149
19.7
104
13.6
40
15
100
20
CO2
0.3
0.03
0.3
46
52
40
48
H2O
-
-
47
6.2
47
6.2
-
-
-
-
Totale
760
100
760
100
760
100
760
100
760
100
40
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
O2
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
SCAMBI GASSOSI A LIVELLO DEI CAPILLARI
O2
CO2
La PO2 nell’estremo arterioso del
capillare è circa 100 mm/Hg.
La PCO2 nell’estremo arterioso del
capillare è circa 40 mm/Hg.
La PO2 nel liquido interstizale è circa
40 mm/Hg.
La PCO2 nel liquido interstizale è
circa 45 mm/Hg.
L’O2 diffonde nel liquido e la PO2
all’estremo venoso è circa a 40 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
B
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-)
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 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
Centro pneumotassico
Ponte
Centro apneustico
C. inspiratorio
Bulbo
ed espiratorio
Mid. spinale
Centro
respiratorio
bulbare
E
I
Respiro
“stertoroso”
-
-
P
A
+
n. vaghi
Rifl. di Hering e
Breuer
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
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. 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).