Il sistema respiratorio umano

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L’APPARATO RESPIRATORIO UMANO
La respirazione è una delle funzioni fondamentali dell’organismo umano che, mediante l’assunzione di ossigeno dall’esterno, consente la liberazione dell’energia necessaria ai processi vitali. In particolare all’apparato respiratorio è affidato il processo di ematosi, ovvero il processo grazie al quale il sangue si carica di ossigeno e si impoverisce di anidride carbonica, prodotta dalle reazioni chimiche che avvengono negli organi.

• LE PRIME VIE RESPIRATORIE
Il sistema respiratorio è composto da una serie di organi che portano aria ai polmoni. L’aria entra attraverso le cavità nasali, narici, dove viene filtrata, trattenendo le impurità, riscaldata e umidificata grazie a una ricca vascolarizzazione della mucosa che ne ricopre la parte interna e alla presenza di peli. Successivamente passa attraverso la faringe e la laringe, dove si trovano le corde vocali e l’epiglottide, una piega che impedisce al cibo di entrare nei polmoni. Da qui arriva nella trachea le cui pareti sono rinforzate da anelli cartilaginei che le impediscono di collassate durante l’inspirazione. La trachea termina nei bronchi, che si dirigono verso il polmone suddividendosi in ramificazioni sempre più piccole, i bronchioli. Bronchi e bronchioli sono circondati da un sottile strato di tessuto muscolare liscio; la contrazione e il rilassamento di questo tessuto modificano la resistenza al flusso d’aria.
I polmoni, che occupano la maggior parte della cavità toracica, sono due organi simmetrici separati l’uno dall’altro dal mediastino, una struttura contenente il cuore, i vasi sanguigni ad esso collegati, la trachea e l’esofago. Essi sono avvolti da una sottile membrana sierosa, la pleura, costituita da due foglietti: la pleura parietale, più esterna, riveste la cavità toracica e l’altra interna, la pleura polmonare, aderisce alla superficie del polmone ricoprendolo completamente. Tra i due strati pleurici, che sono tra loro continui, si trova un velo di liquido che garantisce lo scorrimento reciproco.
Anatomia delle vie aeree superiori
Le vie aeree superiori permettono il passaggio dell'aria dall'ambiente esterno verso la trachea e i polmoni. Comprendono: le cavità nasali, nelle quali l'aria inalata viene a contatto con la mucosa che le riveste e si scalda; la faringe, nella quale si distinguono una porzione superiore (nasofaringe o rinofaringe), una mediana (orofaringe) e una inferiore (ipofaringe); la laringe, sostenuta dai legamenti dell'osso ioide e, alla base, dalla cartilagine cricoidea.
La trachea, i bronchi e i bronchioli, che sono adibiti principalmente al trasporto di aria, per flusso di massa, da e verso gli alveoli, sono rivestiti internamente da cellule epiteliali; questo tessuto comprende sia cellule secernenti sia cellule ciliate. Il muco ricopre l’epitelio dell’ apparato respiratorio e trattiene le particelle estranee che entrano con l’aria, mentre le ciglia battono in continuazione, spingendo il muco e le particelle estranee contenute in esso verso la faringe, da dove vengono solitamente inghiottite. Ci si rende conto di questa produzione di muco soltanto quando aumenta a causa di un’irritazione o di un’infezione.
Polmoni umani
Mentre il polmone destro ha tre lobi, il sinistro ne ha soltanto due e in esso è scavata una sella che accoglie il cuore. I bronchi si diramano dalla trachea all'interno dei lobi in condotti sempre più piccoli, che sfociano negli alveoli. Questi sono minuscole sacche d’aria circondate dai capillari sanguigni, in corrispondenza dei quali avviene lo scambio gassoso: durante l’inspirazione l’ossigeno diffonde dagli alveoli ai capillari per essere poi pompato dal cuore a tutti i tessuti; l’anidride carbonica passa invece dai capillari agli alveoli e viene eliminata attraverso l’espirazione.
• GLI ALVEOLI POLMONARI
I polmoni sono caratterizzati dalla presenza delle cavità alveolari, gli alveoli, dove avvengono i veri scambi gassosi. Essi sono la parte terminale dei bronchi e sono riuniti come grappoli intorno alle estremità dei bronchioli più piccoli. Ogni alveolo ha un diametro di circa 0,1-0,2 mm ed è circondato da capillari sanguigni. Le pareti dei capillari e degli alveoli sono costituite da un unico strato di cellule epiteliali appiattite, separate le une dalle altre da una sottile membrana basale; perciò, la barriera che separa l’aria contenuta in un alveolo dal sangue presente nei suoi capillari è spessa solo 0,5 micrometri. Lo scambio dei gas tra l’aria ed il sangue avviene per diffusione.
I due polmoni umani possiedono circa 300 milioni di alveoli; in questo modo forniscono una superficie respiratoria di circa 70 m², pari circa 40 volte la superficie esterna dell’intero corpo umano.
• LA MECCANICA RESPIRATORIA
L’aria entra ed esce dai polmoni quando la pressione dell’aria negli alveoli differisce dalla pressione dell’aria esterna (pressione atmosferica); quando la pressione alveolare è maggiore di quella atmosferica, l’aria esce dai polmoni e si ha l’espirazione, mentre, quando essa è inferiore a quella atmosferica, l’aria entra nei polmoni e si ha l’inspirazione.
La pressione nei polmoni varia in relazione ai cambiamenti di volume della gabbia toracica. Tali cambiamenti sono dovuti alla contrazione e al rilassamento del diaframma muscolare e dei muscoli intercostali. Nell’inspirazione il diaframma si contrae e si abbassa ampliando la cavità toracica, contemporaneamente si contraggono anche i muscoli intercostali che spingono la gabbia toracica verso l’alto e verso l’esterno. Questi movimenti fanno allargare la cavità toracica; come conseguenza di ciò, la pressione al suo interno, detta pressione intratoracica, diminuisce e l’aria entra nei polmoni. Un aumento della capacità della gabbia toracica porta quindi come conseguenza anche l’aumento della capacità del polmone, che segue i movimenti toracici. Perciò, non sono i polmoni ad espandersi per far entrare l’aria, ma è la cassa toracica che si dilata facendo gonfiare i polmoni. Quando, invece, i muscoli intercostali si rilassano e il diaframma si solleva, riducendo il volume della cavità toracica, l’aria viene spinta fuori dai polmoni; si ha così l’espirazione.
A ogni respiro, generalmente solo il 10% dell’aria contenuta nella cavità toracica viene scambiata, ma si può giungere fino all’80% in seguito a una respirazione volontaria e particolarmente profonda.
Se a causa di un trauma, per esempio una coltellata, entra aria nel polmone, la pressione intratoracica diventa uguale a quella atmosferica, il polmone si gonfia e non può più aver luogo l’inspirazione; ne consegue dolore e impossibilità di respirare. Questa anomalia della pressione intratoracica è detta pneumotorace.
Diaframma e respirazione
Quando il diaframma si abbassa, i muscoli intercostali e il piccolo pettorale spingono in avanti la gabbia toracica, permettendo la diffusione dell'aria dalla trachea nei polmoni. Quando il diaframma torna in posizione di riposo, i polmoni si contraggono e l’aria viene espulsa.
• TRASPORTO E SCAMBIO DI GAS
L’ossigeno è relativamente insolubile nel plasma sanguigno (la parte liquida del sangue): in condizioni normali di pressione atmosferica, in 100 ml di plasma si sciolgono solo 0,3 ml di ossigeno. La capacità del sangue di trasportare ossigeno dai polmoni ai tessuti corporei aumenta enormemente in presenza di particolari molecole proteiche trasportatrici di ossigeno note come pigmenti respiratori.
Nei vertebrati e in molti invertebrati il pigmento respiratorio è l’emoglobina. La molecola di emoglobina è costituita da 4 subunità, ognuna delle quali comprende un’unità eme ed una catena polipeptidica. L’unità eme è formata da una complessa struttura ad anello contenente azoto con, al centro, un atomo di ferro. Ciascuna unità eme può combinarsi con una molecola di ossigeno; perciò, ogni molecola di emoglobina può trasportare 4 molecole di ossigeno. L’emoglobina permette alla corrente sanguigna di trasportare circa 65 volte la quantità di ossigeno che potrebbe essere trasportata da un uguale volume di solo plasma.
In molti invertebrati l’emoglobina o gli altri pigmenti respiratori circolano liberamente nel sangue; nei vertebrati essa è trasportata all’interno dei globuli rossi.
L’emoglobina è un pigmento rosso che diventa di colore più brillante in seguito all’ossigenazione. Il fatto che l’ossigeno si leghi con l’emoglobina o si separi da essa dipende dalla pressione parziale dell’ossigeno del plasma circostante. Nei capillari alveolari, all’aumentare della pressione parziale dell’ossigeno, l’emoglobina si combina con questo gas; successivamente l’emoglobina viene completamente saturata. Al diminuire della pressione parziale dell’ossigeno, esso si separa dall’emoglobina; perciò, quando il sangue ricco di ossigeno arriva ai capillari, dove la pressione è molto inferiore, esso lo cede in parte ai tessuti. Questo sistema compensa automaticamente le richieste d’ossigeno dei tessuti. Così, in seguito ad una attività intensa il tessuto utilizza più ossigeno, la pressione parziale nei tessuti diminuisce e una maggiore quantità di ossigeno viene liberata dall’emoglobina.
L’anidride carbonica, invece, è più solubile dell’ossigeno e una piccola parte di essa è semplicemente disciolta nel plasma. Tuttavia, la maggior parte si combina con l’acqua per formare acido carbonico, un acido debole che si dissocia.
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3- + H+
Questa reazione può procedere in entrambe le direzioni. La direzione effettiva dipende dalla pressione parziale dell’anidride carbonica del sangue. Nei tessuti, dove la pressione parziale dell’anidride carbonica è alta, si formano ioni bicarbonato e ioni idrogeno, mentre nei polmoni, dove questa è bassa, l’acido carbonico si dissocia per formare anidride carbonica e acqua. Una volta liberata, l’anidride carbonica diffonde dal plasma negli alveoli ed esce dai polmoni con l’aria espirata.
La reazione dell’anidride carbonica con l’acqua è catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica che è presente nei globuli rossi insieme con l’emoglobina. Il trasporto dell’anidride carbonica nel sangue è, perciò, aiutato anche dai globuli rossi.
L’attività dei muscoli respiratori adegua la ventilazione ai bisogni dell’organismo, cosicché la quantità di CO2 eliminata è pari a quella prodotta dai tessuti e, nello stesso tempo, la quantità di O2 introdotta è pari a quella consumata.
• CONTROLLO DELLA RESPIRAZIONE
La velocità e la profondità del respiro sono controllate dai neuroni respiratori situati nel tronco celebrale, una posizione del sistema nervoso centrale che si trova tra il midollo spinale e il cervello, e controlla diverse funzioni vitali. Questi neuroni sono responsabili della respirazione in condizioni normali, che è ritmica e autonoma come il battito del cuore; tuttavia, a differenza del battito cardiaco, che pochi di noi riescono controllare volontariamente, la respirazione può essere, entro certi limiti, controllata contraendo e rilasciando volontariamente il diaframma e i muscoli del torace.
I neuroni respiratori attivano i neuroni motori del midollo spinale, i quali stimolano la contrazione del diaframma e dei muscoli intercostali, permettendo così l’inspirazione. Si pensa che questa attività dei neuroni respiratori avvenga spontaneamente. Periodicamente, tuttavia, questi neuroni vengono inibiti, consentendo che avvenga l’espirazione.
Oltre alla loro attività spontanea, i neuroni respiratori ricevono segnali dai recettori sensibili all’anidride carbonica, all’ossigeno e agli ioni idrogeno, ed anche dai recettori sensibili al grado di tensione dei polmoni e della cassa toracica. Il corpo carotideo è costituito da cellule chemiocettrici situate nelle arterie carotidi, ossia le due grosse arterie che riforniscono il cervello di sangue ossigenato, e segnalano ai neuroni respiratori la diminuzione della concentrazione di O2 nel sangue. Nello stesso momento viene rilevata dai centri del tronco celebrare, ed anche dai chemiocettori presenti nelle carotidi, la concentrazione di CO2 disciolta e degli ioni idrogeno. L’informazione, quindi, viene fornita da un certo numero di differenti sensori che sono indipendenti l’uno dall’altro.
Questo sistema è estremamente sensibile persino ai più piccoli cambiamenti della composizione chimica del sangue, in particolare alla concentrazione di anidride carbonica. Se la concentrazione di anidride carbonica, e quindi quella di ioni H+, aumenta solo leggermente, la respirazione si fa subito più profonda e più veloce, permettendo a maggior anidride carbonica di abbandonare il sangue fino a che la concentrazione di H+ non sia tornata normale. Se si effettuasse l’iperventilazione, ci si sentirebbe deboli e girerebbe la testa a causa dell’aumento di alcalinità nel sangue e, quindi, nel cervello.
I recettori sensibili all’ossigeno talvolta agiscono come una sorta di sistema di controllo nei confronti dei sensori dell’anidride carbonica e degli ioni H+. In alcuni casi di avvelenamento da farmaci, ad esempio la morfina, vengono depresse le cellule del tronco celebrale sensibili agli ioni H+; ciò causa una diminuzione del ritmo respiratorio che conduce, alla fine, a una riduzione della concentrazione di ossigeno nel sangue. Vengono, quindi, stimolati i sensori dell’ossigeno e la respirazione potrà riprendere. Un dosaggio eccessivo di tali sostanze ha, però, un’attività depressiva sugli stessi neuroni respiratori.
La complessità dei sistemi di sensori, posti in zone diverse e che controllano fattori diversi, sottolinea l’importanza fondamentale di un rifornimento ininterrotto di ossigeno alle cellule del corpo, particolarmente a quelle del cervello.
• INFEZIONI E PATOLOGIE RESPIRATORIE
Insieme all’aria inspirata entrano nel nostro organismo diversi tipi di batteri patogeni che si vanno a insediare a vari livelli del sistema respiratorio. Si possono generare, così, malattie infiammatorie quali la laringite, la tracheite, la bronchite, la polmonite o la tubercolosi che, per fortuna, non rappresentano più un grosso rischio per l’uomo, potendo oggi disporre di antibiotici. Il primo farmaco di questa categoria, la penicillina, fu scoperto da A. Fleming nel 1928.
I bronchi e bronchioli sono rivestiti da un sottile strato di muscolatura liscia controllato dal sistema nervoso involontario; l’azione di questi muscoli regola il flusso d’aria a seconda delle richieste metaboliche. Durante le situazioni di stress fisico, il sistema nervoso dilata i bronchioli aumentando il loro diametro con conseguente afflusso di aria agli alveoli. Tuttavia, in particolari situazioni patologiche, come, ad esempio, durante un attacco di asma, si producono spasmi ai bronchioli e ciò rende problematico l’apporto di ossigeno e l’eliminazione di anidride carbonica. L’asma è una reazione infiammatoria delle vie bronchiali; gli attacchi d’asma possono essere scatenati da agenti allergizzanti, come i pollini, il pelo di animali o dagli acari. Nei casi di asma acuta le membrane mucose che rivestono i bronchioli contratti producono eccessive quantità di muco, il respiro si fa affannoso, l’inspirazione sibilante e la persona viene colta da forte ansia, perché si sente soffocare.

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