Esistono circa 300milioni di unità alveolo-capillare nell'uomo che riforniscono le cellule di energia secondo il loro fabbisogno. Il singolo alveolo ha forma esagonale e diametro di 0,3mm costituito da uno strato di cellule epiteliali e da cellule alveolari (pneumociti I e II ordine). I capillari polmonari hanno un diametro di circa 10nm e lunghezza di 1 mm. Essi si dispongono attorno al singolo alveolo (circa 1000capillari) da cui sono divisi per mezzo della sola membrana basale comune a entrambi. La distanza tra aria e sangue è di soli 0,5nm, distanza che permette un ottimo scambio gassoso.

Volumi polmonari

La quantità totale e massima che il polmone può contenere è di 6 l (CPT, capacità polmonare totale) ripartita da altri diversi volumi polmonari. Per quanto riguarda l'espirazione, al termine di un atto espiratore normale il polmone contiene 3 l di aria e determina la capacità funzionale residua (CFR). Tale valore è suddiviso a sua volta in: VRE (volume di riserva espiratoria) cioè il volume di aria che può essere espirato con un atto massimale e forzato ed equivalente a 1,5 l; VR (volume residuo) rappresenta l'altra porzione, di 1,5 l , che non può essere espirata (altrimenti il pomone collassa).

Per quanto riguarda l'atto inspiratorio, il volume d'aria che il soggetto incamera nel polmone al termine di una inspirazione a riposo è di 0,5 l e prende il nome di VC (volume corrente), in quanto è il volume che corre ritmicamente nel succedersi tra inspirazione ed espirazione. Una inspirazione massimale e forzata è detta VRI (volume di riserva inspiratoria) ed è pari a 2,5 l. la capacità vitale (CV) rappresenta il volume di aria massimale che possiamo espellere (4,5 l , lasciando sempre 1,5 l di volume residuo).

Il volume di aria corrispondente alla capacità funzionale residua (CFR 3 l) gioca un importanza fondamentale nello scambio gassoso con il sangue. Infatti esso rappresenta un sorta di volume sempre disponibile per lo scambio minimizzando le variazioni di pressione dei gas alveolari ad ogni atto respiratorio.

I volumi pomonari si registrano grazie allo spirometro, uno strumento costituito da una campana immersa nell'acqua e controbilanciata da un contappeso collegato a un pennino scrivente che ne registra le varie manovre respiratorie. Tale strumento misura la CV (capacità vitale 4,5 l) e le FEV 0,5 (volume d'aria espulso dopo mezzo secondo) ed FEV 1 (dopo un secondo) e la CFR(capacità funzionale residua). Tali parametri permettono di individuare restrigimenti delle vie aeree e patologie come asma ed enfisemi.

Meccanica respiratoria

La meccanica respiratoria illustra le modalità attraverso cui l'aria entra ed esce dall'apparato respiratorio.

Inspirazione ed espirazioni sono atti fisiologici del tutto diversi: Il primo è attivo e richiede dispendio di energia e contrazione muscolare; il secondo è passivo (almeno in una espirazione non forzata) in quanto è una restituzione di energia elastica acquistata in fase inspiratoria. Le strutture che intervengono nella respirazione sono:

gabbia toracica

muscoli inspiratori (diaframma, muscoli intercostali interni, m.accessori, scaleni e sternocleidomastoideo) ed espiratori (intercostali interni, retto addominale, obliquo interno ed esterno

polmone, struttura ricca di fibre elastiche facilmente distendibili

In vivo il polmone è mantenuto espanso ed è "costretto" a seguire i movimenti della gabbia toracica, in quanto la superficie esterna del polmone (pleura polmonare) ed interna della gabbia (pleura parietale) sono tra loro funzionalmente unite. Tra le due pleure vi è uno spazio detto spazio pleurico (depressione intrapleurica) dove è presente in qualche mm il liquido pleurico che permette lo scivolamento tra le due pleure. Nella depressione pleurica inoltre permane una pressione negativa, garantita da efficacissime pompe aspiranti di assorbimento del liquido pleurico, che garantisce l'indennità del polmone, in quanto un annalzamento della pressione (a 0 o più) porterebbe al collasso del polmone.

Resistenze respiratorie.

Scambi gassosi alveolo polmonari

L'aria atmosferica è costituita da O2 per il 20,95%, N2 per il 79% e CO2 per lo 0,04%. La pressione totale esercitata da questa miscela di gas, al livello del mare, con temperatura uguale a 0gradi e senza umidità è di 760mmHg. Le pressioni parziali quindi corrisponderanno alle percentuali riferite a 760mmHg. Quindi: O2 159mmHg, N2 a 596mmHg e CO2 a 0,3mmHg. L'aria che respiriamo ha però temperatura diversa (37gradi) e vi è anche presenza di vapore acqueo a cui corrisponde una pressione di 47mmHg di pressione, da sottrarre ai 760mmHg totali (760 - 47 = 713mmHg). Le percentuali di O2 N2 e CO2 nell'aria alveolare sono diverse all'aria atmosferica. Infatti il sangue che attraversa i capillari polmonari assume continuamente O2, e cede, CO2, aumentandone la concentrazione negli alveoli. A causa di questi scambi negli alveoli, O2 ha una concentrazione del 13,8%, N2 dell'80,6% e CO2 del 5,6%. La pressione parziale di O2 sarà quindi il 13,8% di 713mmHg, ossia 100mmHg; la pressione parziale di N2 l'80,6% di 713mmHg, cioè 574mmHg ed infine la pressione parziale di CO2 sarà il 5,6% di 713mmHg, cioè 40mmHg.

Gli scambi gassosi di CO2 e O2 avvengono a livello dell'unità funzionale del polmone, rappresentata dall'unità alveolo-capillare o membrana alveolo-capillare. La membrana alveolo-capillare è formata da (partendo dall'alveolo):

uno strato liquido che riveste l'alveolo, in cui è presente il liquido surfattante

l'epitelio alveolare formato dai pneumociti di I e II ordine

la membrana basale dell'epitelio

uno spazio interseziale molto ridotto tra parete del capillare e epitelio dell'alveolo

la membrana basale del capillare

l'endotelio capillare

I capillari ono situati nell'interstizio polmonare e ricoprono a rete gli alveoli. Un lato di ogni capillare è sottile e l'altro è spesso. Gli scambi gassosi avvengono probabilmente sullo strato sottile (dove le mebrane basali del capillare e dell'alveolo sono unite) per semplice diffusione: cioè il passaggio di gas attraverso la superficie di scambio è legata a fattori puramente fisici e avviene per differenze di pressione. Se la pressione parziale di un determinato gas è maggiore in una regione piuttosto che in un'altra, il risultato dei movimenti di tutte le sue molecole è che esse si spostano dai punti in cui la pressione è maggiore ai punti in cui questa è minore, sino all'equilibrio. I fattori che entrano in gioco nello scambio dei gas dall'alveolo al capillare è sintetizzato ed evidenziato dalla seguente legge di Fick:

La legge di Fick dice, quindi, che la quantità di gas che nell'unità di tempo attraversa la superficie di scambio è direttamente proporzionale:

all'area attraverso cui avviene lo scambio

al coefficiente di diffusibilità

al gradiente di pressione dei gas (differenza di pressione tra alveolo e sangue)

ed è inversamente proporzionale allo spessore della membrana alveolo-capillare.

Il gradiente di pressione è dato dalla differenza tra le pressioni parziali di O2 e CO2 nel sangue venoso e nell'alveolo. Nell'area alveolare O2 ha una pressione di 100mmHg e nel sangue venoso di 40mmHg. Poiché gli scambi gassosi avvengono per gradienti pressori, l'O2 passa dagli alveoli al sangue (gradiente pressori 60mmHg). Al contrario, l'anidride carbonica passa dal sangue alll'alveolo poiché il suo gradiente pressori è di -6mmHg (40mmHg nell'alveolo e 46mmHg nel sangue).

L'area della superficie cui avviene lo scambio è rappresentata dagli alveoli adeguatamente ventilati a contatto con i capillari normalmente perfusi.

Lo spessore della membrana alveolo-capillare è in media 0,5 nm. Poiché tale parametro è inversamente proporzionale alla velocità di fdiffusione, qualunque causa che determini un aumento del suo spessore può influenzare il normale scambio dei gas respiratori.

Trasporto dei gas respiratori

L'O2 è trasportato nel sangue in due modi:

disciolto nel plasma

legato all'emoglobina

Nel primo caso, le quote di O2 (0,3 ml ogni 100ml di sangue) sono minime e dipendono dalle pressioni parziali di ossigeno. Se il trasporto di O2 nel sangue dipendesse dall'O2 disciolto, il sangue fosse composto di solo plasma e l'uomo respirasse aria.

Nel secondo caso un ruolo fondamentale gioca l'emoglobina. Questa è una molecola formata da 4 atomi di eme (ferrosi) e una proteina, la globina. L'O2 si lega a ciascun atomo di eme reversibilmente, e la forma ossigenata dell'Hb e detta ossiemoglobina. L'emoglobina è presente nel sangue in 15g ogni 100ml, e la saturazione con l'ossigeno è pari al 97,5% della massima capacità di trasporto (20,1ml/100ml di sangue), cioè 19,5ml di ossigeno per 100ml di sangue. Il contenuto totale di O2 (quota disciolta più quota legata all'Hb) è di 19,8ml/100ml di sangue.

La percentuale di saturazione in O2 dell'Hb dipende dalla pressione parziale dell'ossigeno ed è espressa dalla curva di dissociazione dell'ossiemoglobina, che ha forma di S italica. Tale curva si ottiene riportando sull'ordinata i valori percentuali della saturazione di O2 e in ascissa i valori corrispondenti alle pressioni di O2 (PO2).

La parte piatta della curva è detta parte associativa, cioè la parte che riguarda l'assunzione di O2. a una pressione parziale di O2 di 100mmHg (la PO2 del gas alveolare), l'Hb si combina con almeno 20ml di sangue ed è satura al 97,4%. La saturazione completa (100%) si ottiene a pressione 250mmHg; l'iperventilazione massima raramente aumenta la PO2 oltre i 130 mmHg. Per pressioni parziali comprese tra i 100 e i 70mmHg, le variazioni della quantità di O2 legato all'Hb non si modificano in modo apprezzabile.

La parte ripida della curva è detta dissociativa in quanto riguarda la liberazione di O2 da parte dell'ossiemoglobina. A una PO2 tra i 10 e i 40mmHg la curva è molto ripida e l'ossiemoglobina del sangue capillare che irrora le cellule dei tessuti in attività, si dissocia e libera O2. La dissociazione e l'associazione dell'emoglobina all'O2, oltre che dalla pressione, è determinata anche da alcuni fattori secondari quali: rtemperatura, pH.

La CO2 è trasportata in tre forme:

disciolta fisicamente

sottoforma di ioni bicarbonato, nel plasma e nei globuli rossi

legata a gruppi aminici liberi delle proteine plasmatiche e dell'emoglobina

La quantità di CO2 a riposo prodotta dai tessuti ed eliminata a livello polmonare è in media di 200ml/min in un soggetto a riposo e in quantità maggiore (fino a 3-4 l)nel lavoro muscolare strenuo.   

Rapporto ventilazione/perfusione (V/Q)

La massima efficienza degli scambi gassosi tra aria alveolare e gas ematici si verifica quando ventilazione e flusso sanguigno si distribuiscono uniformemente in tutte le regioni del polmone. Nel polmone reale la ventilazione alveolare e il flusso sanguigno capillare alveolare non sono distribuiti in modo perfettamente uniforme, neanche nell'uomo sano e neppure in posizione supina, ed sesistono differenze tra ventilazione e flusso ematico in differenti regioni polmonari.  Infatti, in una certa misura in condizioni normali, ma soprattutto in molte malattie polmonari, alcune aree del polmone sono ben ventilate, ma non adeguatamente perfuse, mentre altre sono perfettamente irrorate, ma poco o per nulla ventilate. L'indice che tiene conto della ventilazione alveolare e dell'irrorazione polmonare è detto rapporto ventilazione/perfusione ed è espresso dalla formula V/Q. La ventilazione è la quantità d'aria che raggiunge gli alveoli in un minuto; la perfusione polmonare è il flusso ematico al minuto attraverso il circolo polmonare e corrisponde alla gittata cardiaca. In condizioni di riposo la ventilazione alveolare si considera pari a 4 l di aria al minuto, mentre la perfusione 5 l di sangue al minuto; pertanto il rapporto ventilazione/perfusione è pari a 0,8. Le principali variazioni del rapporto V/Q sono tre ed influenzano le pressioni parziali di O2 e CO2:

quando ventilazione alveolare e perfusione sono normali, gli scambi gassosi di O2 e CO2 sono ottimali e le pressioni parziali sono le più efficienti (PO2 100mmHg e 40mmHg; PCO2 40mmHg e 46mmHg)

quando il rapporto V/Q è uguale a zero vuol dire che vi è asssenza di ventilazione a causa di un'ostruzione delle vie aeree, l'aria alveolare, non più rinnovata, si equilibria con le pressioni parziali del sangue venoso misto (PO2 40mmHg; PCO2 46mmHg)

quando il rapporto V/Q è uguale ad infinito vuol dire che la perfusione è ridotta per una costrizione, ostruzione, obliterazione dei vasi sangugni polmonari. Pertanto i gas alveolari sono in equilibrio con l'aria inspirata (PO2 158mmHg; PCO2 0mmHg)

Nei soggetti normali in posizione eretta vi sono differenze regionali sia di ventilazione sia di perfusione. La ventilazione, per motivi dipendenti dalla diversa distendibilità degli alveoli, è maggiore alla base che non all'apice dei polmoni; il flusso ematico pomonare, per motivi gravitazionali, diminuisce procedendo dalla base all'apice. L'entità della variazione della ventilazione è minore rispetto alle variazioni della perfusione. Tali squilibri riducono leggermente l'efficienza del polmone.