Fisiologia della respirazione

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  • (a) During inhalation, rhythmic nerve impulses from the brain stimulate the diaphragm to contract (pulling it downward) and the muscles surrounding the ribs to contract (moving them up and outward). The result is an increase in the size of the chest cavity, causing air to rush in. (b) Relaxation of these muscles (exhalation) allows the diaphragm to dome upward and the rib cage to collapse, forcing air out of the lungs.
  • Fisiologia della respirazione

    1. 2. Cosa intendiamo con il termine “Respirazione”? Ogni cellula per svolgere le sue funzioni ha bisogno di energia. L’energia è fornita dalla combustione degli alimenti La combustione richiede ossigeno e produce anidride carbonica Un organismo complesso (multicellulare) necessita di un sistema che rifornisca tutte le cellule di O2 ed allontani la CO2 prodotta
    2. 3. Cosa intendiamo con il termine “Respirazione”? <ul><ul><li>Ventilazione : Il movimento dell’aria nei polmoni </li></ul></ul><ul><ul><li>Scambio dei Gas : fra polmoni e sangue </li></ul></ul><ul><ul><li>Trasporto dei gas : mediante il sangue </li></ul></ul><ul><ul><li>Scambio dei Gas : fra sangue e tessuti </li></ul></ul><ul><ul><li>Respirazione cellulare: uso dell’ O 2 </li></ul></ul>
    3. 4. DEFINIZIONI <ul><li>Ventilazione : la distribuzione dei gas dentro e fuori le vie aeree. </li></ul><ul><li>Respirazione esterna : lo scambio dei gas nei polmoni. </li></ul><ul><li>Perfusione polmonare : il flusso sanguigno dal lato destro del cuore, attraverso la circolazione polmonare, al lato sinistro del cuore. </li></ul><ul><li>Respirazione interna : lo scambio dei gas nei tessuti. </li></ul>
    4. 5. DEFINIZIONI <ul><li>Diffusione : il movimento dei gas attraverso una membrana semipermeabile da un’area di maggiore concentrazione ad una di minore concentrazione </li></ul>
    5. 6. Tutti e tre i processi ventilazione, perfusione polmonare e diffusione sono vitali per il mantenimento di un adeguato livello di O 2 e per il mantenimento dell’equilibrio acido-base.
    6. 7. Che cosa è importante sapere per capire le malattie polmonari? 1. Meccanica (presuppone un lavoro) <ul><li>Movimento dei gas nei polmoni. </li></ul><ul><li>Meccanica dei polmoni </li></ul><ul><li>Meccanica della parete toracica </li></ul>
    7. 8. Forze richieste per la respirazione <ul><li>Il polmone si comporta come un pallone in quanto tende sempre a sgonfiarsi . </li></ul><ul><li>Ciò significa che l’espirazione è un fenomeno passivo che avviene senza impegno muscolare grazie al ritorno elastico. </li></ul><ul><ul><li>Eccezione!! </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Enfisema: perdita di elasticità del polmone </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>L’espirazione è difficile e l’aria deve essere spinta fuori </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>È una malattia molto debilitante </li></ul></ul></ul><ul><li>Per far entrare l’aria nei polmoni (inspirazione) occorre il lavoro muscolare . Esso è necessario per superare due forze contrarie: </li></ul><ul><li>1. Il ritorno elastico del polmone e della parete toracica. </li></ul><ul><li>2. La resistenza al flusso aereo delle vie bronchiali di conduzione. </li></ul>
    8. 9. Il lavoro nella respirazione <ul><li>Dobbiamo distendere la gabbia toracica ed il tessuto polmonare. </li></ul><ul><li>Sono strutture elastiche che, distese dai muscoli, tornano nella posizione di equilibrio (compliance toraco-polmonare). </li></ul><ul><li>2) Dobbiamo distendere il velo di liquido che ricopre l’interno degli alveoli, che esercita una tensione superficiale. </li></ul><ul><li>Negli alveoli viene prodotto dagli pneumociti del II ordine un surfattante, che ricopre il velo di liquido e diminuisce la tensione superficiale (malattia ialina dei bambini fortemente immaturi) </li></ul><ul><li>3) Per muovere l’aria dobbiamo superare gli attriti (resistenza al flusso) ( asma ) </li></ul>
    9. 10. La ventilazione: richiami anatomici Le vie respiratorie iniziano nelle cavità nasali e terminano nei bronchioli terminali ( spazio morto anatomico ). Hanno la funzione di convogliare l’aria negli alveoli, dove avvengono gli scambi gassosi. Umidificano e riscaldano l’aria, ed eliminano le particelle solide contenute nell’aria. Queste aderiscono alle pareti delle vie respiratorie e vengono trasportate verso l’esterno dal movimento di ciglia. Cuore
    10. 11. La ventilazione: richiami anatomici La pleura è un foglietto molto sottile che aderisce alla superficie esterna del polmone. Poi si ripiega ed aderisce alla superficie interna della gabbia toracica ed alla superficie del muscolo diaframma. Uno strato sottilissimo di liquido mantiene aderenti le due superfici pleuriche, consentendo di scorrere l’una sull’altra ma impedendone il distacco. Cuore
    11. 12. <ul><li>Meccanica respiratoria </li></ul><ul><li>I muscoli inspiratori sono il diaframma e gli intercostali esterni. </li></ul><ul><li>Il diaframma, rilasciato, ha la forma di una cupola. Contraendosi, si appiattisce e tira verso il basso i due foglietti pleurici, che si tirano dietro il polmone, dilatandolo. </li></ul><ul><li>I muscoli intercostali esterni, contraendosi, muovono le costole verso l’esterno. La gabbia toracia trascina le pleure che trascinano il polmone, dilatandolo. </li></ul>
    12. 13. <ul><li>Meccanica respiratoria </li></ul><ul><li>La dilatazione del polmone rende la pressione intra-alveolare minore di quella atmosferica: l’aria entra. </li></ul><ul><li>Nell’espirazione i muscoli inspiratori si rilasciano ed il sistema torna alla posizione di equilibrio. </li></ul><ul><li>Nell’espirazione forzata si attivano i muscoli espiratori (intercostali interni ed addominali). </li></ul>
    13. 14. La meccanica della respirazione
    14. 15. Modello dell’inspirazione
    15. 16. Come respiriamo P atm = P polm
    16. 17. Come respiriamo P atm > P polm
    17. 18. Come respiriamo P atm < P L
    18. 19. La Pathway dell’Ossigeno: <ul><li>Zona di conduzione </li></ul><ul><li>Trachea fino ai bronchioli terminali. </li></ul><ul><li>Non vi è scambio di gas </li></ul><ul><li>Il trasporto dei gas avviene per convezione </li></ul><ul><li>Viene definito “ spazio morto anatomico” </li></ul>
    19. 20. La Pathway dell’Ossigeno: <ul><li>Zona respiratoria </li></ul><ul><li>Bronchioli fino agli Alveoli </li></ul><ul><li>Gas exchange attraverso la membrana Alveolo - Capillare. </li></ul><ul><li>Trasporto dei Gas per Diffusione </li></ul>
    20. 21. Ventilazione polmonare e ventilazione alveolare <ul><li>Per ventilazione polmonare (VP) si intende l’aria che entra ed esce dall’apparato respiratorio in 1 minuto. </li></ul><ul><li>Se la respirazione è tranquilla la frequenza respiratoria è circa di 15 atti/min ed il volume respiratorio 500 ml, per cui VP= 500 x 15 = 7500 ml/min </li></ul><ul><li>Dei 500 ml, 150 ml sono spazio morto, per cui VP= (350 +150) x 15 = (5250+ 2250) ml/min. Solo 5250 sono utili ai fini respiratori. </li></ul><ul><li>La VP può aumentare fino a 50 l/min, per aumento della profondità del respiro e della frequenza respiratoria. In linea di principio, è più vantaggioso aumentare la profondità. </li></ul>
    21. 22. Il respiro è ciclico o “tidal” <ul><li>Tidal volume, V T è il volume di ciascun respiro. </li></ul><ul><li>La frequenza, f respiri/min </li></ul><ul><li>Ventilazione = V T x f Litri/min </li></ul><ul><li>0.5 L x 15= 7.5 L/min </li></ul>
    22. 23. Concetto di Spazio Morto & Ventilazione Alveolare <ul><li>DISTINGUEREMO: </li></ul><ul><li>Volume della Zona di Conduzione = spazio morto, V D (0.15 L) </li></ul><ul><li>Volume della Zona Respiratoria che raggiunge effettivamente gli Alveoli, V A </li></ul><ul><li>Ricordiamo: </li></ul><ul><li>Ventilazione/ Minuto = </li></ul><ul><li>(V T x f) = 7.5 L/min </li></ul><ul><li>Ventilazione Alveolare (V A ) = </li></ul><ul><li>(V T -V D ) x f </li></ul><ul><li>(0.5L - 0.15L) x 15 = 5.25 L/min </li></ul><ul><li>Flusso alveolare effettivo </li></ul>
    23. 24. Qual’è l’mpatto di differenti pattern respiratori? <ul><li>Elevato V T o volume di ciascun respiro. </li></ul><ul><li>Bassa Frequenza, f respiri/min </li></ul><ul><li>Basso V T </li></ul><ul><li>Elevata f o respiri/min </li></ul>
    24. 25. NORMALE Bronchite cronica
    25. 26. Conseguenze di un respiro corto e frequente <ul><li>Cosa accade se la ventilazione minuto è raggiunta dimezzando V T e raddoppiando f ? </li></ul><ul><li>V D non cambia </li></ul><ul><li>Ventilazione Alveolare (V T -V D ) x f </li></ul><ul><li>(0.25L - 0.15L) x 30 </li></ul><ul><li>3.0 L/min </li></ul><ul><li>Invece di 5.25 L/min </li></ul><ul><li>Riduzione dell’afflusso di gas agli alveoli. </li></ul>
    26. 27. Volumi respiratori <ul><li>Volume di riserva inspiratoria: volume di aria che possiamo inspirare dopo un’inspirazione tranquilla </li></ul><ul><li>Volume di riserva espiratoria: volume di aria che possiamo espirare dopo un’espirazione tranquilla. </li></ul>
    27. 28. Che cosa è importante sapere per capire le malattie polmonari? 2. Scambio dei gas <ul><li>Diffusione – Trasferimento dei gas dall’aria al sangue. </li></ul><ul><li>L’incontro aria/sangue: Ventilazione / Perfusione. </li></ul><ul><li>Trasporto di O 2 e CO 2 - emoglobina. </li></ul>
    28. 29. Scambio dei gas: <ul><li>L’efficienza dipende da: </li></ul><ul><ul><li>Gradienti Pressori fra gli alveoli e i capillari </li></ul></ul><ul><ul><li>Costante di Solubilità del gas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>O 2 in H 2 0: 0.1 m moli/L (scarsa) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>CO 2 in H 2 0 : 3.0 m moi/L (buona) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Distanza di Diffusione : ampiezza della membrana semipermeabile </li></ul></ul><ul><ul><li>Superficie di scambio : gli alveoli garantiscono un’area di 70 m 2 </li></ul></ul>
    29. 30. Pressione dei Gas Le molecole di un gas sono in costante movimento, cosicchè esse regolarmente colpiscono le pareti del contenitore
    30. 31. La forza esercitata dalle molecole del gas sulle pareti del contenitore si definisce pressione del gas . Pressione dei Gas
    31. 32. Più molecole di gas ci sono, più spesso le pareti del contenitore sono colpite, e la pressione è maggiore. Pressione dei Gas
    32. 33. Pressione Parziale (P) dei Gas. <ul><li>In una miscela di gas, la pressione totale è data dalla somma delle pressioni esercitate dalle molecole di ogni singolo gas. </li></ul><ul><li>Per pressione parziale si intende la pressione esercitata da ogni singolo gas costituente la miscela. </li></ul>
    33. 34. Legge di Dalton della Pressione Parziale <ul><li>Pressione Totale = Somma delle singole pressioni dei gas. </li></ul><ul><li>Pressione Parziale = Pressione che ciascun singolo gas eserciterebbe se fosse da solo. </li></ul>
    34. 35. Come fa un gas a muoversi o fluire.
    35. 36. Flusso dei gas
    36. 39. I gas fluiscono dalle aree ad alta pressione, alle aree a bassa pressione fino a raggiungere l’equilibrio.
    37. 40. O 2 O 2 CO 2 O 2 CO 2 CO 2 CO 2 O 2 Cellula muscolare Globulo rosso Polmoni
    38. 42. <ul><li>Aria Alveolare </li></ul><ul><li>PO 2 PCO 2 </li></ul><ul><li>100 mmHg 40 mmHg </li></ul>
    39. 43. <ul><li>Sangue nell’arteria polmonare (sangue venoso) </li></ul><ul><li>PO 2 PCO 2 </li></ul><ul><li>40 mmHg 45 mmHg </li></ul>
    40. 44. <ul><li>Sangue delle vene polmonari (sangue arterioso) </li></ul><ul><li>PO 2 PCO 2 </li></ul><ul><li>100 mmHg 40 mmHg </li></ul>
    41. 45. Trasporto dell’ossigeno nel sangue: Disciolto nel plasma (1.5 %) Legato all’emoglobina (98,5 %)
    42. 46. Ruolo dell’emoglobina <ul><li>L’emoglobina nei globuli rossi aumenta la capacità di trasporto dell’O 2 del sangue </li></ul><ul><li>L’emoglobina ha un’elevata capacità di legame (affinità) per l’ossigeno </li></ul><ul><li>L’emoglobina trasporta ~98.5% dell’O2 nel sangue </li></ul>
    43. 51. Anidride carbonica: <ul><li>Elevata concentrazione nei tessuti </li></ul><ul><li>Elevata solubilità e diffusione </li></ul><ul><li>7% dissolto nel plasma </li></ul><ul><li>23% si combina con l’ emoglobina </li></ul><ul><li>70% si combina con H 2 O </li></ul><ul><li>CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 </li></ul>
    44. 52. Bicarbonati e pH <ul><li>In condizioni fisiologiche ( tessuti ): </li></ul><ul><li>H 2 CO 3 H + + HCO 3 - </li></ul><ul><li>pertanto CO 2 causa la riduzione del pH </li></ul>
    45. 53. Respirazione e pH <ul><li>Nei polmoni, la reazione si inverte: </li></ul><ul><li>H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 </li></ul><ul><li>Pertanto l’espirazione elimina CO 2 … </li></ul><ul><li>E riduce gli H + </li></ul><ul><li>Compensazione respiratoria (dell’acidosi) </li></ul>
    46. 54. DEFINIZIONI <ul><li>Ipossia : basso afflusso di ossigeno ai tessuti </li></ul><ul><li>Ipossiemia : ridotta quantità di O 2 nel sangue </li></ul><ul><li>Cianosi : colorito bluastro della cute e delle mucose per carenza di ossigeno </li></ul><ul><li>Ipercapnia : eccesso di CO 2 nel sangue </li></ul>
    47. 55. DEFINIZIONI <ul><li>Tachipnea : respirazione rapida (> 35/min) </li></ul><ul><li>Bradipnea : respirazione lenta (< 10/min) </li></ul>
    48. 56. Che cosa è importante sapere per capire le malattie polmonari? 3. Controllo del respiro <ul><li>Effettori – muscoli respiratori </li></ul><ul><li>Sensori: </li></ul><ul><li>1. Meccanici - polmone, parete toracica & vie aeree superiori. </li></ul><ul><li>2. Chimici - Ossigeno & anidride carbonica. </li></ul>
    49. 57. Il ritmo respiratorio <ul><li>Il ritmo respiratorio origina da un’alternata attivazione dei muscoli respiratori, in genere inconscia. I muscoli respiratori sono muscoli scheletrici, e sono perciò attivabili anche volontariamente. </li></ul><ul><li>Nel bulbo e nel ponte troviamo i neuroni che pilotano i motoneuroni dei muscoli respiratori. L’attività di tali neuroni è modulata tramite diversi meccanismi. </li></ul>Pool di neuroni Motoneuroni Muscoli respiratori
    50. 58. Regolazione della ventilazione polmonare <ul><li>Vi sono dei chemocettori nei glomi aortici e carotidei: </li></ul><ul><li>se la CO 2 aumenta, </li></ul><ul><li>se il pH diminuisce, </li></ul><ul><li>se l’O 2 diminuisce, </li></ul><ul><li>aumenta la ventilazione. </li></ul>

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