APPARATO RESPIRATORIO : I POLMONI

INSPIRAZIONE

Durante l'inspirazione i muscoli respiratori si contraggono:

1. il diaframma (principale m 212h75c uscolo respiratorio) contraendosi si abbassa;
2. il contenuto addominale viene spinto verso il basso;
3. la gabbia toracica si espande in alto e all'esterno;
4. la pressione intrapleurica (tra i polmoni e la cavità toracica) diminuisce rispetto alla pressione atmosferica;
5. la pressione transpolmonare (all'interno dei polmoni) aumenta;
6. i polmoni si espandono;
7. la pressione alveolare scende al di sotto della pressione atmosferica;
8. l'aria viene risucchiata nei polmoni

Durante un'inspirazione forzata vengono usati muscoli accessori in aggiunta all'azione del diaframma intercostali esterni la cui contrazione fa alzare l'estremità anteriore della gabbia toracica.

Gli sternocleidomastoidei che servono per alzare la porzione superiore della gabbia toracia.

ESPIRAZIONE

Durante l'espirazione i muscoli respiratori si rilasciano:

1. il diaframma si rilascia
2. la cavità toracica si riduce
3. la pressione intrapleurica diventa meno negativa
4. la pressione transpolmonare diminuisce
5. i polmoni si riducono
6. la pressione alveolare supera quella atmosferica
7. l'aria defluisce fuori dai polmoni.

Durante un'espirazione forzata vengono usati i muscoli respiratori accessori:

Gli intercostali interni che tirano la gabbia toracica verso il basso;

i muscoli addominali che aiutano a spingere il diaframma verso l'alto.

LEGGE DEI GAS

Il meccanismo della respirazione si basa su 2 leggi dei gas:

la legge di Boyle stabilisce che a temperatura costante la pressione (P) del gas varia in modo inversamente proporzionale al volume (V) del gas.

Ogni diminuzione del volume comporta un aumento della pressione del gas e accelera la sua diffusione.

La legge di Charles stabilisce che se la pressione è costante, volume e temperatura sono direttamente proporzionali.

Queste 2 leggi si combinano in un'unica legge generale dei gas dalla quale si evince che a temperatura costante, un aumento del volume toracico porta ad una diminuzione della pressione intrapleurica.

Nelle misure delle pressioni respiratorie vengono impiegati sia i mm Hg (mm di mercurio) sia i cm H₂O.

Le pressioni dell'apparato respiratorio sono chiamate pressioni relative perché relative alla pressione atmosferica e vengono misurati in cmH₂O

Le principali pressioni coinvolte nella respirazione sono:

1. la pressione intrapleurica;
2. la pressione alveolare
3. la pressione trasmutale

a)  la pressione transpolmonare (differenza di pressione interna ed esterna dei polmoni cioè pressione alveolare meno pressione intrapleurica, è una pressione distendente perché permette di mantenere l'espansione dei polmoni.

b)  Pressione delle vie aeree (differenza di pressione tra le pareti dei capillari tra pressione interna alle vie aeree e pressione intrapleurica.

SPIROMETRIA E VOLUMI POLMONARI

Il volume d'aria inspirato ed espirato dai polmoni viene misurato mediante uno spirometro.

Il volume d'aria che esce dai polmoni durante un singolo respiro viene chiamato volume corrente (VC).

La quantità massima d'aria che può essere ottenuta nei polmoni è la capacità polmonare totale(CPT).

La capacità funzionale residua (CFR) è il volume d'aria che rimane nei polmoni dopo una normale espirazione.

La quantità massima che può essere espirata è la capacità vitale (CV).

Uno dei parametri più importanti per stabilire la funzionalità globale dei polmoni è la capacità espiratoria forzata (CVE) ed è determinata da 4 fattori:

1. la forza dei muscoli toracici ed addominali;
2. la resistenza al flusso delle vie aeree
3. le dimensioni dei polmoni
4. le proprietà elastiche dei polmoni

Tutto ciò che porta ad una riduzione della forza dei muscoli respiratori (poliomielite), ad una riduzione del volume dei polmoni (tubercolosi) ad una resistenza delle vie aeree (bronchite) provocherà una riduzione della capacità virale espiratoria.

TENSIONE SUPERFICIALE DEGLI ALVEOLI

Una proprietà dei polmoni che influenza notevolmente la loro compliance è rappresentata dalla tensione superficiale che si crea nella superficie interna degli alveoli. Essa è una forza molecolare che si genera all'interfaccia tra aria e liquido e riflette le forze di attrazione tra le molecole di liquido e quelle dell'aria.

Poiché gli alveoli hanno una forma sferica, la tensione superficiale genera una forza che tende a diminuire la loro superficie, ciò li rende instabili e quindi tendenti a collassate (atelettasia), per evitare ciò le cellule epiteliali che rivestono gli alveoli secernono una sostanza che copre la superficie interna degli alveoli e ne riduce la tensione superficiale.

Questa sostanza è il surfactant polmonare ed è una miscela di liquidi e proteine il cui componente principale è la fosfatidilcolina (un fosfolipidi).

Una quantità insufficiente di surfactant polmonare provoca una malattia nota con il nome di sindrome da difficoltà respiratoria che colpisce più spesso i neonati prematuri e gli adulti.

I prematuri poiché i polmoni sono tra gli ultimi organi che vengono formati, anche se perfettamente strutturati non sono ancora maturi per secernere quantità elevate di surfactant. Negli adulti ciò è dovuto a lesioni polmonari in cui il surfactant viene distrutto.

PRESSIONE E FLUIDO NEL CIRCOLO POLMONARE

Il circolo polmonare porta il sangue ai polmoni ed è l'unico circolo che accoglie l'intera gettata cardiaca. La circolazione polmonare, a differenza di quella sistemica, è un sistema ad alto flusso, bassa pressione e bassa resistenza.

La bassa pressione nell'arteria polmonare è appena sufficiente per spingere il sangue fino agli apici dei polmoni. Anche se tutto il polmone è perfuso, la maggior parte del flusso di sangue finisce per interessare le zone basali del polmone.

Quasi tutti i capillari delle basi polmonari risultano aperti e il sangue scorre velocemente. Agli apici solo pochi capillari sono aperti e i globuli rossi che li attraversano viaggiano molto lentamente. Non sempre comunque l'aria inspirata si distribuisce uniformemente a tutti gli alveoli, ciò produce la comparsa di gruppi di alveoli in cui si crea un ipossia regionale. Quindi il sangue non sarà completamente ossigenato e perciò la quantità di ossigeno che raggiungerà i tessuti sarà ridotta (ipossiemia). Per evitare ciò i polmoni hanno un meccanismo chiamato vasocostrizione ipossica, che fa si che le piccole arterie di una regione ipossica si costringano, e ciò fa in modo che il sangue giunga in altre zone del polmone dove l'ossigenazione (ventilazione) è migliore, se la situazione di  ipossia interessa l'intero polmone (per esempio ad alta quota) la vaso costrizione riguarda l'intero polmone. Avremo quindi che gli alveoli delle zone apicali del polmone conterranno una maggiore quantità di ossigeno di quelli della base, ciò è untile poiché consente che una maggiore quantità di sangue venga pompata nelle zone apicali del polmone, se però ciò dura per molto tempo avremo danni vascolari e scompensi cardiaci.

L'ESERCIZIO FISICO RECLUTA CAPILLARI

Anche durante un esercizio fisico la gettata cardiaca aumenta, di conseguenza la pressione dell'arteria polmonare aumenta trasformandosi in una forza di spinta sufficiente per migliorare la per fusione delle zone apicali del polmone. Questo provoca un aumento del numero di capillari nelle zone apicali per soddisfare la richiesta di ossigeno e di conseguenza un più rapido movimento del sangue all'interno dei capillari polmonari.

DIFFUSIONE E TRASPORTO DEI GAS

Una volta che l'aria inspirata raggiunge gli alveoli, il flusso di aria rallenta fino quasi ad arrestarsi.

I gas si muovono per diffusione quindi in base ad un gradiente di concentrazione. Durante lo scambio dei gas, i gradienti di pressione parziale tra aria alveolare e sangue dei capillari provocano un movimento in direzioni opposte dell'ossigeno e dell'anidride carbonica. L'ossigeno dell'aria alveolare si dissolve nella membrana alveolo-capillare inumidita, attraversa la membrana e passa nel plasma dove resta in soluzione, qui attraversa la membrana dei globuli rossi e viene trasportato nei tessuti. Se la ventilazione alveolare aumenta maggiori quantità di ossigeno  vengono trasferiti agli alveoli e maggior quantità di anidride carbonica viene rimossa. L'iperventilazione aumenta la pressione di ossigeno e diminuisce l'anidride carbonica, la condizione opposta è l'ipoventilazione cioè una riduzione della ventilazione alveolare, aumenta l'anidride carbonica e diminuisce l'ossigeno.

TRASPORTO DI OSSIGENO

L'ossigeno dell'aria alveolare passa attraverso la membrana nel plasma del sangue, dal sangue passa nei globuli rossi; all'interno dei globuli rossi la maggior parte dell'ossigeno verrà trasportato ai tessuti. La quantità totale di ossigeno che raggiunge i tessuti in un minuto è di 1000 ml/min. circa il 98 % dell'ossigeno trasportato nella corrente sanguigna è legato all'emoglobina; essa è una proteina pigmentata che consente a grandi quantità di ossigeno di essere trasportate ai tessuti.

Ogni molecola di emoglobina contiene 4 gruppi eme, ciascuno dei quali contiene un atomo di ferro, ogni atomo di ferro è in grado di legarsi ad una molecola di ossigeno (ossiemoglobina). A causa del legame debole che fissa l'ossigeno agli atomi di ferro quest'ultimo viene ceduto.

In condizioni di anemia, cioè quando il numero dei globuli rossi è ridotto, la concentrazione di emoglobina è ridotta. Durante l'attività fisica aumenta il gradiente di pressione che favorisce il movimento dell'ossigeno dal sangue dei capillari ai tessuti. Alcune interessanti caratteristiche dell'emoglobina facilitano il trasporto di ossigeno come:

1. l'acidità del sangue (i muscoli in attività presentano una maggiore acidità dovuta alla maggiore produzione di anidride carbonica e di acido lattico, con ciò l'ossigeno verrà liberato più facilmente)
2. nei muscoli in attività la temperatura del sangue sale e di conseguenza anche la cessione di ossigeno.

TRASPORTO DI ANIDRIDE CARBONICA

L'anidride viene trasportata dal sangue più facilmente dell'ossigeno perché è molto solubile nei lipidi e pertanto può facilmente attraversare le membrane plasmatiche; il contenuto di anidride carbonica nel sangue dipende dall'equilibrio acido-base. Il polmone, attraverso l'eliminazione dell'anidride carbonica regola il ph del sangue e dei tessuti. Siccome la costanze del ph nell'organismo è fondamentale è importante che la concentrazione di anidride carbonica nel sangue rimanga costante. Il sangue ha 3 modalità di trasporto a disposizione per l'anidride carbonica:

1. disciolto nel plasma
2. come acido carbonico quando CO₂ reagisce con l'acqua (soprattutto negli eritrociti)
3. come carboammino emoglobina (legato all'emoglobina).

La liberazione di anidride carbonica dagli ioni bicarbonato è facilitata dall'enzima anidrasi carbonica. Il sangue non cede mai né tutta l'anidride carbonica ai polmoni né tutto l'ossigeno ai tessuti.

Anche durante l'attività fisica più intensa il contenuto di ossigeno ed anidride carbonica nel sangue non si azzera mai.

CONTROLLO DEL RESPIRO

La respirazione è un processo automatico che avviene involontariamente, possiamo tuttavia esercitare una forma di controllo cosciente sulla ventilazione modificando la frequenza e la profondità del respiro o addirittura possiamo arrestare volontariamente il respiro fin quando l'aumento di anidride carbonica nel sangue stimola la respirazione indipendentemente da noi. È evidente quindi che la respirazione è modificata sia da influenze nervose che da influenze chimiche. All'interno del midollo allungato si trovano aggregati di cellule nervose che costituiscono i centri respiratori. Il diaframma riceve i suoi segnali di controllo attraverso il nervo frenico, che ha origine dal midollo spinale, raggiunge il torace e innerva il principale muscolo respiratorio. Nel bulbo sono stati individuati 2 distinti gruppi cellulari, il primo chiamato gruppo respiratorio dorsale (GRD), contiene cellule attive durante l'inspirazione; l'altro gruppo respiratorio ventrale (GRV) contiene neuroni implicati sia nell'inspirazione che nell'espirazione.

I nuclei GRV - GRD  contengono la rete neuronale che forma il generatore centrale del pattern respiratorio.

IL CENTRO RESPIRATORIO E' VULNERABILE

I centri respiratori localizzati nel bulbo sono vulnerabili e possono causare l'interruzione dell'attività respiratoria, ciò può essere causato o da traumi cerebrali (contusioni cerebrali) o dall'accumulo di liquido (edema cerebrale). Entrambe provocano l'ostruzione dei vasi ematici che perfondono il bulbo con conseguente arresto del flusso di sangue e interruzione del ritmo respiratorio.

Altre cause frequenti di insufficienza respiratoria sono:

1. assunzione di barbiturici
2. anestesia generale
3. antidolorifici

una volta che l'attività respiratoria spontanea si è arrestata è molto difficile che essa riprenda spontaneamente. L'unica terapia efficace in questo caso è di ventilare artificialmente il paziente fin quando l'organismo non sia in grado di rimediare da solo al problema.