Biologia per il liceo/Il sistema respiratorio

L'apparato respiratorio ha il compito di permettere lo scambio dei gas ossigeno e anidride carbonica tra il corpo e l'ambiente.

Struttura dell'apparato respiratorio

La complessa struttura dell'apparato respiratorio è essenziale per il corretto svolgimento della respirazione. Dalle vie aeree superiori agli alveoli, ogni componente ha un ruolo specifico nel garantire l'efficace scambio di gas vitale per l'organismo.

Vie respiratorie superiori

Il tratto respiratorio superiore è costituito dal naso e dalla faringe. La sua funzione primaria è quella di ricevere l'aria dall'ambiente esterno e filtrarla, riscaldarla e umidificarla prima che raggiunga i polmoni dove avverrà lo scambio di gas.

Naso

L'aria entra attraverso le narici e viene parzialmente filtrata dai peli. Successivamente, scorre nella cavità nasale che è rivestita da tessuto epiteliale, contenente vasi sanguigni che aiutano a riscaldare e umidificare l'aria. Questo tessuto secerne muco, che filtra ulteriormente l'aria, intrappolando particelle di polvere e microrganismi.

Ciglia

Il rivestimento epiteliale della cavità nasale contiene minuscole proiezioni simili a capelli, chiamate ciglia. Le ciglia trasportano il muco contenente particelle estranee verso la parte posteriore della cavità nasale e nella faringe, dove il muco può essere espulso con la tosse o ingoiato e digerito dagli acidi gastrici.

Faringe

Dopo aver attraversato la cavità nasale, l'aria scorre lungo la faringe fino alla laringe. La faringe è un condotto muscolare che serve da passaggio comune per l'aria diretta ai polmoni e per il cibo diretto allo stomaco.

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Vie respiratorie inferiori

Il tratto respiratorio inferiore inizia con la laringe e comprende la trachea, i due bronchi che si diramano dalla trachea e i polmoni stessi. È qui che avviene effettivamente lo scambio di gas.

Laringe

La laringe, colloquialmente conosciuta come "scatola vocale", è un organo del collo coinvolto nella protezione della trachea e nella produzione del suono. La laringe ospita le corde vocali ed è situata appena sotto il punto in cui il tratto faringeo si divide nella trachea e nell'esofago.

Epiglottide

L'epiglottide è un lembo di cartilagine situato all'apertura della laringe. Durante la deglutizione, l'epiglottide si abbassa per chiudere la laringe e impedire che il materiale ingerito entri nella trachea. La stimolazione della laringe da parte di materiale ingerito produce un forte riflesso della tosse per proteggere le vie respiratorie.

Corde Vocali

Le corde vocali sono due pieghe di tessuto connettivo che si allungano e vibrano quando l'aria le attraversa, provocando la vocalizzazione. La lunghezza e la tensione delle corde vocali determinano l'altezza del suono, mentre la forza dell'espirazione ne determina l'intensità. La capacità di controllare volontariamente il sistema respiratorio consente di parlare e cantare.

Trachea

La trachea, è un tubo di circa 10-12 cm di lunghezza e 2 cm di diametro, rinforzato da anelli cartilaginei a forma di "C" che mantengono la pervietà (apertura) delle vie aeree. La trachea si divide in due bronchi principali, ciascuno diretto a un polmone.

Polmoni

I polmoni si sono evoluti dai sacchi aeriferi originatisi dalle diramazioni del tratto digerente dei primi vertebrati, mantenendo una struttura simile a sacchi a fondo cieco. Essi sono organi elastici situati nella cavità toracica. Il polmone destro è diviso in tre lobi, mentre il polmone sinistro ne ha due, per fare spazio al cuore. Ogni lobo è ulteriormente suddiviso in segmenti bronchiali, ciascuno con una propria arteria, vena e ramificazioni bronchiali che terminano negli alveoli.

Bronchi e Bronchioli

I due bronchi principali si ramificano ulteriormente nei bronchi lobari, che a loro volta si dividono in bronchi segmentali e poi in bronchioli. Questa struttura ad albero si estende in tutte le regioni dei polmoni, terminando nei bronchioli terminali e respiratori.

Alveoli

Gli alveoli sono piccoli sacchetti cavi raggruppati in grappoli alla fine dei bronchioli respiratori. Ogni polmone contiene circa 300 milioni di alveoli, con una superficie totale di circa 70 m². Qui avviene lo scambio di gas: l'ossigeno diffonde dagli alveoli al sangue, mentre l'anidride carbonica diffonde dal sangue agli alveoli per essere espulsa durante l'espirazione.

Stroma

Il tessuto connettivo elastico che sostiene gli alveoli e conferisce forma e consistenza ai polmoni è chiamato stroma.

Le pleure e la cavità pleurica

I polmoni sono avvolti da una doppia membrana chiamata pleura:

• Pleura viscerale: Aderisce alla superficie esterna del polmone.
• Pleura parietale: Riveste la cavità toracica e aderisce alla parete toracica interna.

Tra queste due membrane si trova la cavità pleurica, contenente un fluido lubrificante (liquido pleurico) che permette ai polmoni di espandersi e contrarsi senza attrito durante la respirazione. Il liquido pleurico crea una forza di adesione tra le due pleure, permettendo loro di scivolare l'una sull'altra e rendendo difficile la separazione delle due membrane. Questo meccanismo assicura che ogni variazione di volume della cavità toracica influisca direttamente sui polmoni.

Secrezioni del tratto respiratorio

Muco

Il muco, prodotto dalle cellule caliciformi e dalle ghiandole mucose nelle vie aeree inferiori, intrappola particelle di polvere, detriti e microrganismi inalati. Le ciglia, presenti su altre cellule delle vie aeree, muovono il muco contenente particelle estranee verso la faringe, dove il muco può essere espulso con la tosse o ingoiato e digerito dagli acidi gastrici.

Surfactante

Il surfactante è una miscela di fosfolipidi e lipoproteine che riveste internamente gli alveoli. Ha due funzioni principali:

• Riduzione della tensione superficiale: Previene il collasso degli alveoli riducendo la forza necessaria per espandere i polmoni durante l'inspirazione.
• Facilitazione dell'umidificazione: Mantiene gli alveoli umidi, permettendo un'efficace diffusione dei gas. L'assenza o la carenza di surfactante può portare a gravi condizioni respiratorie, come la sindrome da distress respiratorio nei neonati prematuri, dove gli alveoli tendono a collassare, rendendo difficile la respirazione.

La meccanica della respirazione

Disegno che schematizza il processo di inspirazione (inalazione)

Ventilazione

La ventilazione avviene grazie al diaframma e ai muscoli intercostali. E’ lo scambio d'aria tra l'ambiente esterno e gli alveoli. L'aria entra o esce dai polmoni a seconda della pressione negli alveoli. La ventilazione è composta da due fasi: inspirazione ed espirazione.

Inspirazione (inalazione)

L’inspirazione inizia con la contrazione del diaframma, che si abbassa, portando all’aumento del volume dei polmoni, l’aria che entra nei polmoni in seguito a questo atto è il 75% dell’aria che inspiriamo. Successivamente avviene la contrazione dei muscoli intercostali esterni, che essendo attaccati alle costole le spostano verso l’esterno e verso l’alto per cui i polmoni si espandono ulteriormente favorendo l'ingresso di altra aria negli alveoli. L'inspirazione, almeno a riposo, è un processo attivo.

Espirazione

L’espirazione inizia con il rilassamento dei muscoli intercostali e del diaframma, il volume polmonare diminuisce, di conseguenza la pressione dell’aria negli alveoli aumenta e l’aria si muove verso l’esterno dove la pressione atmosferica è minore. L’espirazione, al contrario dell’inspirazione a riposo, è un processo passivo.

L’espirazione diventa attiva durante il respiro forzato perché i muscoli intercostali diminuiscono il volume della cavità toracica e quindi si espira più aria.

Volumi polmonari

I fisiologi suddividono i volumi d'aria polmonari in diverse categorie: il volume corrente, il volume di riserva inspiratorio, il volume di riserva espiratorio e il volume residuo.

• Il volume corrente è la quantità di aria che entra ed esce dai polmoni ad ogni atto respiratorio a riposo, ed è di circa 0,5 L.
• Il volume di riserva inspiratorio è la quantità massima di aria che, dopo una inspirazione, può essere ancora introdotta nei polmoni forzatamente (circa 3 L).
• Il volume di riserva espiratorio è la quantità massima di aria che, dopo un'espirazione, può essere ancora espulsa con un'espirazione forzata (circa 1L).
• Il volume residuo è l'aria che resta nei polmoni dopo un'espirazione forzata (circa 1 L).

In generale quindi un adulto può scambiare fino a 5 L di aria circa. I volumi polmonari variano secondo l’età, il sesso e la corporatura. Con l’età il volume residuo in genere aumenta, mentre diminuiscono i volumi di riserva sia inspiratori che espiratori.

Durante l'esercizio fisico, i volumi polmonari aumentano notevolmente, e la frequenza respiratoria può variare da 12 a 35-45 atti al minuto.

Spirometria

La spirometria è utilizzata per misurare i volumi riportati sopra, tranne il volume residuo che è misurato solo indirettamente.

La capacità respiratoria

La capacità respiratoria comprende la capacità vitale e quella polmonare: la capacità vitale è la somma dei volumi corrente, di riserva inspiratorio ed espiratorio, mentre la capacità polmonare include anche il volume residuo.

Controllo del sistema nervoso

Controllo nervoso dei muscoli respiratori da parte del midollo allungato

Il sistema nervoso centrale controlla la ventilazione regolando la contrazione dei muscoli respiratori. Durante l'inspirazione, gli impulsi si propagano ai muscoli respiratori esterni, mentre durante l'espirazione i centri nervosi attivano i muscoli intercostali interni. Il ritmo respiratorio normale è determinato dai centri di controllo, situati nel midollo allungato dell’encefalo. Viene anche regolata la profondità e la frequenza del respiro in base alle esigenze dell'organismo. Gli adulti normali hanno una frequenza respiratoria di 12-20 respiri al minuto.

I centri nervosi ricevono informazioni dai recettori sensibili alla concentrazione di CO₂ e O₂, alcuni recettori situati nell’aorta e nelle carotidi  danno informazioni sulla pressione e sul volume del sangue. Questi recettori controllano il ritmo del respiro.

Gli scambi dei gas

Lo scambio nei polmoni

Lo scambio di gas nei polmoni avviene tra gli alveoli e i capillari che li circondano, attraverso il meccanismo della diffusione (spostamento passivo di una sostanza da dove è più concentrata verso dove è meno concentrata). Gli alveoli hanno un'alta concentrazione di ossigeno (O₂) e una bassa concentrazione di anidride carbonica (CO₂), mentre il sangue nei capillari contiene un'alta concentrazione di CO₂ e una bassa concentrazione di O₂. A causa di queste differenze di pressione, tramite il sottile tessuto epiteliale che forma la parete degli alveoli e quello che circonda i capillari, l'anidride carbonica entra nei polmoni per poi essere espulsa dall'organismo con l'espirazione e l'ossigeno passa nei vasi sanguigni.

Lo scambio nei tessuti

Quando il sangue ricco di ossigeno raggiunge i capillari, dopo essere passato per il cuore, per le arterie e per le arteriole, avviene lo scambio dei gas tra il sangue e le cellule intorno ai capillari stessi. La differenza di concentrazione di CO₂ (in quantità maggiore nei tessuti e minore nel sangue) e O₂ (presente più nel sangue che nei tessuti) causa il passaggio dell'anidride carbonica dalle cellule al sangue per mezzo del liquido interstiziale, e il passaggio di ossigeno dal sangue al liquido interstiziale, dal quale raggiungerà le cellule.

Il trasporto dei gas nel sangue

Il trasporto dell'ossigeno

Molecola di emoglobina

Nel sangue l'ossigeno può viaggiare in due modi:

• legato alle molecole di emoglobina (il 98,5% dell'ossigeno). Le molecole di emoglobina sono contenute nei globuli rossi e sono formate da quattro catene polipeptidiche, ognuna contenente del ferro, a cui si lega l'ossigeno. Ogni molecola di emoglobina può quindi trasportare quattro molecole di O₂;
• disciolto nel plasma. Dal momento che l'ossigeno è poco solubile in acqua, a disciogliersi è una piccola parte dell'ossigeno.

L'emoglobina lega O₂ quando c'è un'alta concentrazione di quest'ultimo (come nei capillari intorno agli alveoli), mentre lo rilascia dove è presente in minore quantità (come nei vari tessuti). In condizioni di riposo viene rilasciato il 25% dell'ossigeno, mentre il restante 75% rimane come riserva, che viene rilasciata quando c'è una maggiore richiesta di O₂.

Alcuni fattori che determinano un maggiore rilascio di ossigeno sono:

• acidità (causata dall'acido lattico prodotto dai muscoli sotto sforzo)
• temperatura (i tessuti sotto sforzo producono calore)
• alta concentrazione di CO₂.

Il trasporto dell'anidride carbonica

Molecola di acido carbonico

Il diossido di carbonio viene trasportato nel sangue in tre modi:

• legato all'emoglobina (una piccola parte);
• disciolto nel plasma (una piccola quantità), infatti l'anidride carbonica è idrosolubile;
• la maggior parte sotto forma di ioni bicarbonato (HCO₃^-) e ioni idrogeno (H⁺). Il diossido di carbonio si trasforma in acido carbonico (H₂CO₃) reagendo con l'acqua per mezzo dell'enzima anidrasi carbonica. Successivamente dal H₂CO₃ si formano gli ioni bicarbonato e gli ioni idrogeno. Questi ioni hanno anche la funzione di regolare il pH del sangue. La maggior parte di CO₂ viene trasportata in questo modo.

Patologie dell'apparato respiratorio

Pneumotorace

Lo pneumotorace è una condizione patologica caratterizzata dall’accumulo di aria all’interno della cavità pleurica. Quando si forma lo pneumotorace l’aria passa all’interno della cavità pleurica provocando la perdita della pressione negativa, con il conseguente allontanamento delle due pleure. Il polmone perde quindi l’adesione alle pareti toraciche interne e collassa. Lo pneumotorace può essere di origine traumatica (es frattura di una costola, accoltellamento, foro di proiettile). Per ristabilire le funzionalità vi è bisogno dell’utilizzo di un tubicino di drenaggio.

Asma

L’asma è una condizione in cui le vie aeree si restringono, di solito in modo reversibile, in genere a causa di una reazione allergica. Durante un attacco asmatico, è necessario assumere un farmaco in grado di aprire rapidamente le vie aeree.

Bronchite

La bronchite è un processo infiammatorio a carico dell'albero bronchiale, che interessa la mucosa che riveste e protegge i bronchi. Può avere origine virale o batterica, oppure derivare da un ambiente con elevato inquinamento atmosferico. I fumatori sono affetti da bronchite cronica.

Polmonite

E’ un'infiammazione degli alveoli polmonari di origine virale o batterica. I sintomi sono tosse, respiro sibilante e respiro affannoso, febbre e dolori toracici; è contagiosa, pericolosa e va curata con attenzione.

Tubercolosi

La tubercolosi (Tb) è una malattia infettiva e contagiosa, causata da un batterio, il Mycobacterium tuberculosis, chiamato comunemente Bacillo di Koch (dal nome del medico tedesco che lo scoprì). Nella maggior parte dei casi interessa i polmoni ma possono essere coinvolte anche altre parti del corpo. Se non trattata la Tb può portare al decesso. Si trasmette tramite saliva, starnuto o colpo di tosse. Oggi la Tb rappresenta ancora una delle 10 principali cause di morte nel mondo. Nel 2017 ben 10 milioni di persone nel mondo si sono ammalate di tubercolosi e la malattia ha portato 1,6 milioni di persone al decesso nel Sud Est Asiatico (in particolare in India e in Cina), nel Pacifico Occidentale e in Africa. Per fortuna, anche per le condizioni igieniche migliori, in Italia l’incidenza è limitata.

Cancro polmonare

Il tumore al polmone è una patologia che provoca una crescita incontrollata di cellule maligne, dagli alveoli ai tessuti polmonari, compromettendo la funzione dei polmoni di scambiare gas. I sintomi sono tosse continua che non passa o addirittura peggiora nel tempo, raucedine, presenza di sangue nel catarro, respiro corto, dolore al petto, perdita di peso e di appetito, stanchezza. Il più importante fattore di rischio per il tumore del polmone è il fumo di sigaretta: esiste infatti un chiaro rapporto di causa ed effetto tra questa abitudine e la malattia, e ciò vale anche per l’esposizione al fumo passivo. Ma anche sostanze chimiche come l’amianto (asbesto), il radon e i metalli pesanti sono fattori di rischio per i lavoratori a contatto con queste sostanze.

Bibliografia

• Human Physiology
• Sadava, Hillis, Heller, Hacker, La nuova biologia.blu, Dalla genetica al corpo umano, Zanichelli, Bologna, 2021