L'apparato respiratorio umano è costituito dal tratto respiratorio (superiore e inferiore) e dai polmoni. Il sistema respiratorio è responsabile dello scambio di gas tra l'organismo e l'ambiente. Come è costruito il sistema respiratorio e come funziona?
Il sistema respiratorio umano dovrebbe consentire la respirazione - il processo di scambio di gas, vale a dire ossigeno e anidride carbonica, tra l'organismo e l'ambiente. Ogni cellula del nostro corpo ha bisogno di ossigeno per funzionare correttamente e generare energia. Il processo di respirazione è suddiviso in:
- respirazione esterna - portando ossigeno alle cellule
- respirazione interna - intracellulare
La respirazione esterna si verifica a causa della sincronizzazione del sistema respiratorio con i centri nervosi ed è suddivisa in una serie di processi:
- ventilazione polmonare
- diffusione del gas tra aria alveolare e sangue
- trasporto di gas attraverso il sangue
- diffusione di gas tra sangue e cellule
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Struttura dell'apparato respiratorio
Il tratto respiratorio è costituito da:
- il tratto respiratorio superiore, cioè la cavità nasale (il nostro cavum) e gola (faringe)
- tratto respiratorio inferiore: laringe (laringe), trachea (trachea), bronchi (bronchi) - destra e sinistra, che sono ulteriormente divise in rami più piccoli, e quelli più piccoli diventano bronchioli (bronchioli)
La parte finale delle vie aeree conduce agli alveoli (alveoli polmonari). L'aria inalata che passa attraverso le vie respiratorie viene ripulita da polvere, batteri e altre piccole impurità, idratata e riscaldata. D'altra parte, la struttura dei bronchi, combinando elementi cartilaginei, elastici e muscolari lisci, consente la regolazione del loro diametro. La gola è il punto in cui si intersecano i sistemi respiratorio e digestivo. Per questo motivo, durante la deglutizione, la respirazione si arresta e le vie aeree si chiudono attraverso l'epiglottide.
- polmoni - organi accoppiati situati nel torace.
In termini di aspetti anatomici e funzionali, i polmoni sono divisi in lobi (il polmone sinistro in due lobi e quello destro in tre), i lobi sono ulteriormente suddivisi in segmenti, segmenti in lobuli e lobuli in grappoli.
Ogni polmone è circondato da due strati di tessuto connettivo: la pleura parietale (pleura parietale) e pleura polmonare (pleura polmonare). Tra di loro c'è la cavità pleurica (cavum pleurae), e il fluido in esso contenuto consente l'adesione del polmone coperto dalla pleura polmonare alla pleura parietale fusa con la parete interna del torace.Nel punto in cui i bronchi entrano nei polmoni, ci sono cavità polmonari, in cui, oltre ai bronchi, anche arterie e vene polmonari.
Inoltre, i muscoli striati scheletrici, il sistema sanguigno e cardiovascolare ei centri nervosi sono coinvolti nel complicato processo di respirazione.
Ventilazione polmonare
L'essenza della ventilazione è attirare l'aria atmosferica negli alveoli. Poiché l'aria fluisce sempre da una pressione più alta a una pressione più bassa, i gruppi muscolari appropriati partecipano a ciascuna inspirazione ed espirazione, consentendo i movimenti di aspirazione e pressione del torace.
Alla fine dell'espirazione, la pressione negli alveoli è uguale alla pressione atmosferica, ma quando si aspira l'aria, il diaframma si contrae (diaframma) e muscoli intercostali esterni (musculi intercostales externi), grazie al quale il volume del torace aumenta e crea un vuoto che aspira aria.
Quando la richiesta di ventilazione aumenta, vengono attivati muscoli inspiratori aggiuntivi: i muscoli sternocleidomastoideo (musculi sternocleidomastoidei), muscoli pettorali (musculi pectorales minores), muscoli dentati anteriori (musculi serrati anteriores), muscoli trapezi (musculi trapezii), i muscoli elevatori della scapola (musculi levatores scapole), muscoli del parallelogramma maggiore e minore (musculi rhomboidei maiores et minores) e muscoli obliqui (musculi fuse).
Il prossimo passo è espirare. Inizia quando i muscoli inspiratori si rilassano al culmine dell'inalazione. Di solito questo è un processo passivo, poiché le forze generate dagli elementi elastici allungati nel tessuto polmonare sono sufficienti affinché il torace diminuisca di volume. La pressione negli alveoli sale al di sopra della pressione atmosferica e la risultante differenza di pressione rimuove l'aria all'esterno.
La situazione è leggermente diversa quando si espira con forza. Ci occupiamo quando il ritmo respiratorio è lento, quando l'espirazione richiede il superamento di una maggiore resistenza respiratoria, ad esempio in alcune malattie polmonari, ma anche nell'attività fonatoria, soprattutto quando si canta o si suonano strumenti a fiato. Vengono stimolati i motoneuroni dei muscoli espiratori, che comprendono: muscoli intercostali interni (musculi intercostali interni) e i muscoli della parete addominale anteriore, in particolare il retto addominale (musculi recti addominali).
Frequenza respiratoria
La frequenza respiratoria è molto variabile e dipende da molti fattori diversi. Un adulto a riposo dovrebbe respirare 7-20 volte al minuto. I fattori che portano ad un aumento della frequenza respiratoria, chiamata professionalmente tachipnea, includono esercizio, condizioni polmonari e distress respiratorio extrapolmonare. D'altra parte, la bradipnea, cioè una significativa diminuzione del numero di respiri, può derivare da malattie neurologiche o effetti collaterali centrali dei farmaci narcotici. I bambini differiscono dagli adulti sotto questo aspetto: più piccolo è il bambino, maggiore è la frequenza respiratoria fisiologica.
Volumi e capacità polmonari
- TLC (capacità polmonare totale) - il volume che si trova nel polmone dopo il respiro più profondo
- IC - capacità inspiratoria - trascinata nei polmoni durante l'inalazione più profonda dopo un'espirazione calma
- IRV (volume di riserva inspiratorio) - volume di riserva inspiratorio - aspirato nei polmoni durante l'inalazione massima eseguita al culmine dell'inspirazione libera
- TV (volume corrente) - volume corrente - inspirato ed espirato mentre si inspira ed espira liberamente
- La FRC - capacità funzionale residua - rimane nei polmoni dopo una lenta espirazione
- ERV (volume di riserva espiratorio) - volume di riserva espiratorio - rimosso dai polmoni durante l'espirazione massima dopo l'inalazione libera
- RV (volume residuo) - il volume residuo - rimane nei polmoni sempre durante l'espirazione massima
- VC (capacità vitale) - capacità vitale - rimossa dai polmoni dopo la massima inspirazione al momento della massima espirazione
- IVC (capacità vitale inspiratoria) - capacità vitale inspirata - trascinata nei polmoni dopo l'espirazione più profonda alla massima inspirazione; può essere leggermente maggiore di VC perché alla massima espirazione seguita dalla massima inspirazione, i conduttori alveolari si chiudono prima che l'aria che riempie le bolle venga rimossa
Con l'ispirazione libera, il volume corrente è di 500 ml. Tuttavia, non tutto questo volume raggiunge gli alveoli. Circa 150 ml riempiono le vie respiratorie, che non hanno le condizioni per lo scambio di gas tra aria e sangue, cioè cavità nasali, gola, laringe, trachea, bronchi e bronchioli. Questo è chiamato spazio morto respiratorio anatomico. I restanti 350 mL vengono miscelati con aria costituente la capacità funzionale residua, contemporaneamente riscaldati e saturati con vapore acqueo. Negli alveoli, ancora, non tutta l'aria è gassosa. Nei capillari delle pareti di alcuni follicoli, il flusso sanguigno è assente o insufficiente per utilizzare tutta l'aria per lo scambio di gas. Questo è lo spazio morto respiratorio fisiologico ed è piccolo nelle persone sane. Sfortunatamente, può aumentare in modo significativo negli stati di malattia.
La frequenza respiratoria media a riposo è di 16 al minuto e il volume corrente è di 500 ml, moltiplicando questi due valori, otteniamo la ventilazione polmonare. Da ciò ne consegue che vengono inalati ed espirati circa 8 litri d'aria al minuto. Durante l'esecuzione di respiri veloci e profondi, il valore può aumentare in modo significativo, anche da una dozzina a venti volte.
Tutti questi parametri complicati: capacità e volumi sono stati introdotti non solo per confonderci, ma hanno una significativa applicazione nella diagnosi delle malattie polmonari. C'è un test - spirometria, che misura: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV e IRV. È essenziale per la diagnosi e il monitoraggio di malattie come l'asma e la BPCO.
Diffusione di gas tra aria alveolare e sangue
Gli alveoli sono la struttura di base che compone i polmoni. Ce ne sono circa 300-500 milioni, ciascuno con un diametro da 0,15 a 0,6 mm, e la loro superficie totale va da 50 a 90 m².
Le pareti dei follicoli sono costruite da un epitelio sottile, piatto e monostrato. Oltre alle cellule che compongono l'epitelio, i follicoli contengono altri due tipi di cellule: i macrofagi (cellule intestinali) e anche le cellule follicolari di tipo II che producono il tensioattivo. È una miscela di proteine, fosfolipidi e carboidrati prodotti dagli acidi grassi del sangue. Riducendo la tensione superficiale, il tensioattivo impedisce agli alveoli di aderire e riduce le forze necessarie per allungare i polmoni. Dall'esterno, le bolle sono ricoperte da una rete di capillari. I capillari che entrano negli alveoli trasportano sangue ricco di anidride carbonica, acqua, ma con una piccola quantità di ossigeno. Al contrario, nell'aria alveolare, la pressione parziale dell'ossigeno è alta e quella dell'anidride carbonica è bassa. La diffusione del gas segue un gradiente di pressione molecolare del gas, quindi gli eritrociti capillari intrappolano l'ossigeno dall'aria e si liberano dell'anidride carbonica. Le particelle di gas devono passare attraverso la parete alveolare e la parete capillare, e più precisamente attraverso: uno strato di fluido che copre la superficie alveolare, l'epitelio alveolare, la membrana basale e l'endotelio capillare.
Trasporto di gas attraverso il sangue
- trasporto di ossigeno
In primo luogo, l'ossigeno si dissolve fisicamente nel plasma, ma poi si diffonde attraverso l'involucro nei globuli rossi, dove si lega all'emoglobina per formare ossiemoglobina (emoglobina ossigenata). L'emoglobina gioca un ruolo molto importante nel trasporto dell'ossigeno, perché ciascuna delle sue molecole si combina con 4 molecole di ossigeno, aumentando così la capacità del sangue di trasportare ossigeno fino a 70 volte. La quantità di ossigeno trasportato disciolto nel plasma è così piccola da essere irrilevante per la respirazione. Grazie al sistema circolatorio, il sangue saturo di ossigeno raggiunge ogni cellula del corpo.
- trasporto di anidride carbonica
L'anidride carbonica dai tessuti entra nei capillari e viene trasportata ai polmoni:
- circa il 6% disciolto fisicamente nel plasma e nel citoplasma degli eritrociti
- circa il 6% si lega ai gruppi amminici liberi delle proteine plasmatiche e dell'emoglobina (come carbammati)
- la maggioranza, cioè circa l'88%, come ioni HCO3 - legati dal sistema tampone bicarbonato di plasma ed eritrociti
Diffusione di gas tra sangue e cellule
Ancora una volta, le molecole di gas nei tessuti passano lungo il gradiente di pressione: l'ossigeno rilasciato dall'emoglobina si diffonde nei tessuti, mentre l'anidride carbonica si diffonde nella direzione opposta, dalle cellule al plasma. A causa delle differenze nella richiesta di ossigeno dei diversi tessuti, ci sono anche differenze nella tensione di ossigeno. Nei tessuti a metabolismo intenso, la tensione di ossigeno è bassa, quindi consumano più ossigeno, mentre il sangue venoso drenante contiene meno ossigeno e più anidride carbonica. La differenza artero-venosa del contenuto di ossigeno è un parametro che determina il grado di consumo di ossigeno da parte dei tessuti. Ogni tessuto riceve sangue arterioso con lo stesso contenuto di ossigeno, mentre il sangue venoso può contenerne più o meno.
Respirazione interna
La respirazione a livello cellulare è un processo biochimico multistadio che prevede l'ossidazione di composti organici in cui si produce energia biologicamente utile. È un processo fondamentale che si verifica anche quando altri processi metabolici vengono interrotti (i processi alternativi anaerobici sono inefficienti e di scarsa importanza).
Il ruolo chiave è svolto dai mitocondri - organelli cellulari, che ricevono molecole di ossigeno che si diffondono all'interno della cellula. Sulla membrana esterna dei mitocondri sono presenti tutti gli enzimi del ciclo di Krebs (o ciclo degli acidi tricarbossilici), mentre sulla membrana interna sono presenti gli enzimi della catena respiratoria.
Nel ciclo di Krebs, i metaboliti di zuccheri, proteine e grassi vengono ossidati in anidride carbonica e acqua con il rilascio di atomi di idrogeno liberi o elettroni liberi. Più avanti nella catena respiratoria - l'ultimo stadio della respirazione intracellulare - trasferendo elettroni e protoni ai trasportatori successivi, vengono sintetizzati composti di fosforo ad alta energia. Il più importante di questi è l'ATP, ovvero l'adenosina-5′-trifosfato, un vettore universale di energia chimica utilizzata nel metabolismo cellulare. Viene consumato da numerosi enzimi in processi come la biosintesi, il movimento e la divisione cellulare. L'elaborazione dell'ATP negli organismi viventi è continua e si stima che ogni giorno l'uomo converta la quantità di ATP paragonabile al suo peso corporeo.
Regolazione della respirazione
Nel nucleo esteso c'è un centro respiratorio che regola la frequenza e la profondità della respirazione. Consiste di due centri con funzioni opposte, costruiti da due tipi di neuroni. Entrambi si trovano all'interno della formazione reticolare. Nel nucleo solitario e nella parte anteriore del nervo vago posteriore-ambiguo si trova il centro inspiratorio, che invia impulsi nervosi al midollo spinale, ai motoneuroni dei muscoli inspiratori. Al contrario, nel nucleo ambiguo del nervo vago e nella parte posteriore del nervo vago posteriore-ambiguo, c'è il centro di espirazione, che stimola i motoneuroni dei muscoli espiratori.
I neuroni del centro di ispirazione inviano più volte al minuto una raffica di impulsi nervosi, che corrono lungo il ramo discendente ai motoneuroni nel midollo spinale e contemporaneamente al ramo assonale ascendente ai neuroni della formazione reticolare del ponte. C'è un centro pneumotassico che inibisce il centro inspiratorio per 1-2 secondi e poi il centro inspiratorio si stimola di nuovo. Grazie a successivi periodi di stimolazione e inibizione del centro inspiratorio, viene assicurata la ritmicità dei respiri.
Il centro inspiratorio è regolato da impulsi nervosi derivanti da:
- chemocettori del glomerulo cervicale e aortico, che rispondono a un aumento della concentrazione di anidride carbonica, concentrazione di ioni idrogeno o una significativa diminuzione della concentrazione di ossigeno arterioso; gli impulsi dei coaguli aortici viaggiano attraverso i nervi glossofaringeo e vago. e l'effetto è quello di accelerare e approfondire le inalazioni
- interorecettori del tessuto polmonare e propriorecettori toracici;
- ci sono meccanocettori inflazionari tra la muscolatura liscia bronchiale, sono stimolati dallo stiramento del tessuto polmonare, che innesca l'espirazione; riducendo poi l'allungamento del tessuto polmonare durante l'espirazione, si attivano altri meccanocettori, questa volta deflazionistici, che innescano l'inspirazione; Questo fenomeno è chiamato riflessi di Hering-Breuer;
- La posizione inspiratoria o espiratoria del torace irrita i rispettivi propriocettori e modifica la frequenza e la profondità dei respiri: più profonda è l'inspirazione, più profonda è l'espirazione successiva;
- centri dei livelli superiori del cervello: la corteccia cerebrale, il sistema limbico, il centro di termoregolazione nell'ipotalamo
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