Scambi gassosi respiratori

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Il termine diffusione indica lo scambio di gas tra alveolo e capillari ed è un evento continuo. Perchè si possa avere gli scambi gassosi tra alveolo e capillari, è necessario che gli alveoli, oltre a essere ventilati, siano anche perfusi dal circolo polmonare.

Sede degli scambi
La sede degli scambi è rappresentata dall'acino polmonare o le vie aeree inferiori, provviste di alveoli.

Composizione dell'aria alveolare

La velocità di diffusione di un gas (quantità di gas che diffonde nell'unità di tempo) è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale, che, per la Legge di Dalton è proporzionale alla concentrazione percentuale del gas nella miscela.

Avremo che:

pressione parziale gas = % gas X Pressione della miscela. Poichè a livello del mare la pressione è di 760 mmHg, e la pressione parziale di O2 è il 21% di 760 mmHg, allora la pO2 è di 159 mmHg. Ma il calcolo diventa ancora più preciso se togliamo a 760 mmHg il valore del vapore d'acqua che è pari a 47 mmHg , dunque resteranno 713 mmHg.

A tale valore occorre fare riferimento nel calcolo. In sostanza avremo che:

 PO2=% di O2 x 713  dunque, poichè O2 è pari a 21%, moltiplicando 0.21x 713= 149 mmHg che rappresenta il valore della pressione parziale di ossigeno a livello dei bronchioli. La composizione dell'aria alveolare però è ancora più differente dalla composizione dell'aria atmosferica. La pO2 atmosferica= 159 mmHg; La pO2 alveolare= 100 mmHg; la pC02 atmosferica= 0.3; la pCO2 alveolare= 40 mmHg
P aria (livello del mare) = 760 mmHg.
Composizione: O2: 20.84% pO2 = 159 mmHg
N2: 78.62% pN2 = 597mmHg
CO2: 0.04% pCO2 = 0.3 mmHg
Già a livello delle vie aeree superiori si verificano delle modifiche nella composizione dell'aria, perchè l'aria che attraversa le vie aeree superiori si inumidisce, quindi bisogna aggiungere la pressione che viene esercitata dal vapore acqueo pari a 47 mmHg. Quindi nella trachea la pC-2 non è più 159 ma è 149 (perchè a 760 si deve sottrarre la pressione legata al vapore acqueo (47), quindi viene 713; di conseguenza, bisogna fare il 20% di 713.) L'aria alveolare si riduce ulteriormente a 100, perchè a livello dell'alveolo vengono continuamente ceduti 6 volumi di ossigeno, e quindi l'aria alveolare diventa più povera di ossigeno, quindi non sarà più il 20% ma circa il 14-15%., quindi se moltiplico 713x0.14=98-100 mmHg
Mentre che 6 volumi di ossigeno vengono ceduti dall'alveolo al sangue, 6 volumi di CO2 passano dal sangue agli alveoli, quindi l'alveolo diventerà più povero di ossigeno e più ricco di CO2.

Meccanismo di scambio

Lo scambio gassoso tra alveoli e capillari, non comporta un dispendio energetico e avviene secondo gradiente pressorio. Fattori che influenzano la diffusione:
1) Gradienti di pO2 e pCO2 negli alveoli e nel sangue alveolare (legge di Fick) A livello alveolare la pO2 è di circa 100 mmHg e la pCO2 è 40 mmHg. Nel sangue venoso che arriva ai polmoni attraverso il circolo polmonare la pO2 è 40, la pC02 è 46; quindi avremo un gradiente di pO2 pari a 60 (perchè è la differenza tra 100 e 40) quindi l'ossigeno diffonderà dall'alveolo al sangue venoso, in modo che si possa trasformare in sangue ossigenato. Qual è il percorso della C02? è inverso: dal sangue venoso agli alveoli (abbiamo 46 e 40 quindi la P C02 tende a diffondere verso gli alveoli), quindi finalmente il sangue da venoso si trasformerà in sangue arterioso che raggiungerà attraverso le vene polmonari il circolo sistemico. La diffusione quando si ferma? Quando c'è l'equilibrio.
2) Spessore della membrana alveolo-capillare: 0,2-0,5 micron (aumenta nell'edema e nelle pneumoconiosi)
3) Coefficiente di diffusione dei gas: solubilità del gas (legge di Henry) e peso molecolare del gas (legge di Grahm); la CO2 è 20 volte più diffusibile della O2.
Frequente ipossemia (visto che è meno diffusibile); invece, la CO2 è più diffusibile e c'è ipocapnemia (questo perchè c'è iperventilazione, si cerca di assumere più ossigeno e quindi viene rilasciata anche più anidride carbonica).
4) Tempo di contatto del sangue sulla superficie di scambio: 0, 75 (a riposo), 0,35 (nell'attività)
5) Volume di sangue esposto sulla superficie di scambio

Via di diffusione alveolo-capillare

- Membrana alveolare (Epitelio alveolare più membrana basale)
L'epitelio alveolare è formato da da pneumociti di primo ordine piatti, di secondo ordine che producono il fattore surfattante, da macrofagi, da pneumociti di terzo ordine (cellule indifferenziate che potrebbero trasformarsi o in pneumociti di primo ordine o in pneumociti di secondo ordine).
- Film liquido
- Liquido interstiziale modesto (perchè c'è bassa pressione idrostatica)
- Membrana capillare ed endotelio
- Plasma
- Membrana del globulo rosso

L'ossigeno va verso il globulo rosso, la CO2 verso l'esterno.
 

SHUNT

La diffusione di ossigeno cessa quando si crea un equilibrio tra la pO2 alveolare e la pO2 del sangue arterioso.
Se la pO2 alveolare è 100, la pCO2 arteriosa dovrebbe essere 100 mmHg, ed è così a livello polmonare. Invece, a livello periferico, a livello arterioso, vi è una pO2 pari a 96mmHg. Ciò è dovuto alla presenza di alcuni shunt, cioè delle mescolanze di sangue arterioso con sangue venoso.
Vi sono due tipi di shunt:
** Shunt anatomico: vene bronchiali e vene di Tebesio
** Shunt funzionale: legato al rapporto ventilazione/perfusione

Shunt anatomici

1. Il circolo bronchiale che irrora le vie aeree superiori, fa parte del circolo sistemico, e le vene bronchiali contengono sangue venoso, povero di ossigeno, che si riversa nelle vene polmonari, contenenti sangue arterioso: si aggiunge poco sangue venoso a molto sangue arterioso. Di conseguenza, la pO2 tenderà a diminuire, invece, la pC02 rimane costante perchè la CO2 è altamente diffusibile. Le vene polmonari, prima di ricevere le vene bronchiali, hanno una pO2 di 100. A valle dello sbocco delle vene bronchiali, avranno una pO2 pari a 95.
2. Un altro shunt anatomico è legato al circolo coronarico e, in modo particolare, al circolo di Tebesio.
Anche il circolo di Tebesio fa parte del circolo sistemico, e le vene di questo circolo sboccano nel ventricolo di sinistra contenente sangue arterioso, quindi anche qui c'è una mescolanza di sangue venoso delle vene di Tebesio, con sangue arterioso delle cavità ventricolari di sinistra.

Da soli, questi shunt non giustificherebbero la minore pO2 arteriosa rispetto a quella alveolare. Il vero contributo è dato dagli shunt funzionali.

Shunt funzionale

Lo shunt fisiologico è legato al rapporto ventilazione/perfusione. Affinchè si possa avere a livello della membrana alveolocapillare un'adeguata diffusione, gli alveoli devono essere adeguatamente ventilati e perfusi. E necessario che ci sia un ottimo rapporto tra ventilazione alveolare/perfusione capillari.

Valori pressori nel sistema cardiovascolare

Circolo sistemico:
L'aorta e grandi arterie hanno una pressione media di 96 mmHg (la pressione sistolica è 120, la diastolica è 80, la media aritmetica è 100mmHg, ma noi dobbiamo fare una media ponderata tenendo conto che la diastole dura più della sistole). Man mano che ci allontaniamo dal cuore la pressione nel circolo sistemico tende progressivamente a diminuire.

Circolo polmonare:
La pressione nel circolo polmonare è 1/6 e 1/7 di quella presente a livello sistemico. è un sistema a bassa pressione perchè è un sistema a bassa resistenza.
La pressione sistolica è 25mmHg e la diastolica di 8mmHg, quindi la pressione media è circa 15mmHg la media (la possiamo accettare, perchè i livelli pressori sono tanto modesti che la differenza è minima, anche se non la correggiamo tenendo conto della durata della diastole). Alla pressione data dalla spinta del cuore si deve aggiungere la pressione determinata dalla gravità, che influenza la pressione all'interno dei vasi, e non quella dell'aria alveolare. La gravità è più evidente in zona basale, piuttosto che in zona apicale.
La diversa perfusione delle 3 zone dei polmoni è dovuta ad una diversa pressione transmurale (differenza di pressione che esiste tra l'interno [pArteriosa+ P venosa] e l'esterno del Vaso [P alveolare]):
1. All'apice, la pressione alveolare è maggiore rispetto alla pressione presente nei vasi, quindi la pressione transmurale è negativa e i vasi tendono a chiudersi l'apice è ipoventilato e ipoperfuso.
2. Nella zona intermedia, le cose cambiano in rapporto alla sistole o alla diastole. Durante la diastole, la pressione alveolare è superiore alla pressione idrostatica esistente a livello dei vasi, e quindi vi sarà tendenza alla chiusura dei vasi in diastole. Durante la sistole la pressione arteriosa aumenta e supera la pressione esistente a livello dell'alveolo, quindi la pressione transmurale diventa positiva e il vaso sarà più pervio.
3. Alla base, la pressione idrostatica, per effetto della gravità, è di molto maggiore rispetto alla pressione alveolare, quindi la pressione transmurale è positiva e i vasi sono pervi,  gli alveoli sono iperventilati e iperperfusi.

Rapporto ventilazione-perfusione

In realtà, le cose sono leggermente diverse, perchè non bisogna considerare la ventilazione e la perfusione come due parametri indipendenti, bensì bisogna considerare il rapporto ventilazione / perfusione. La ventilazione polmonare corrisponde alla quantità di aria che viene inspirata o espirata in un minuto, ed è data dal prodotto tra frequenza respiratoria per il volume corrente. Però, è molto più importante la ventilazione alveolare cioè l'aria che in un minuto raggiunge gli alveoli è data dal prodotto di 350 ml (l'aria alveolare) per 15 atti respiratori al minuto, ed è circa 4.2 litri (150 ml di aria occupano lo spazio morto respiratorio, cioè l'aria che resta nelle vie respiratorie di bronchi e trachea e bronchi di calibro minore e non può essere computata dunque ai fini degli scambi gassosi.

La perfusione è la quantità di sangue che raggiunge gli alveoli ogni minuto (pari gittata cardiaca) =5 litri

Il rapporto ventilazione / perfusione = (4, 2/5)= 0, 8

* A livello apicale, il rapporto ventilazione/perfusione= 1, 7 (Questo significa che gli alveoli sono iperventilati rispetto alla perfusione che ricevono)
* A livello intermedio, il rapporto ventilazione/perfusione=0,9 (equilibrio fra i due processi).
* A livello della base, il rapporto ventilazione/perfusione=0, 7  Questo significa che gli alveoli sono poco ventilati rispetto al sangue che ricevono.
* Ventilazione ridotta quando: aumento delle resistenze delle vie aeree: Patologie ostruttive: enfisema, asma, bronchiti, compressione per neoplasie e la
* Compliance: Patologie restrittive: fibrosi, riduzione surfattante, edema polmonare, atelettasia diffusa, pneumotorace, compressione per neoplasie
* Perfusione ridotta: Embolia, trombosi, compressione vasi polmonari (tumori, essudati, edema, pneumotorace, idrotorace)

Il sangue refluo che proviene dall'apice sarà più ossigenato del sangue refluo che proviene dalla base perchè abbiamo una pO2 di 150 quindi verrà facilitato lo scambio. L'opposto si verifica a livello delle basi: qui il rapporto ventilazione/perfusione ha un valore inferiore e quindi avremo un minore livello di p02 e il sangue refluo sarà ovviamente meno ossigenato.
Il sangue refluo ricco di ossigeno, proveniente dall'apice (p02=132mmHg), si mescola col sangue povero di ossigeno proveniente dalle basi pO2=89mmHg
Se ci fosse un apporto quantitativo identico, nelIe vene polmonari ci dovrebbe essere una pressione parziale di ossigeno di 110, ma non è così, e visto che le basi, essendo più estese contribuiscono con un maggiore 96 mmHg . Il contributo dell'apice sul sangue refluo del 20% il contributo della parte intermedia è del 35% il contributo della parte basale è del 45%.

Trasporto dei gas nel sangue

Vediamo come vengono trasportati i gas metabolicamente attivi, cioè 02 e C02. L'azoto sarà trasportato esclusivamente attraverso la via plasmatica, in quanto l'azoto si scioglie nell'acqua plasmatica.

 

TRASPORTO DELL'O2

E' trasportato in due forme:
1) Disciolto nel plasma
2) Chimicamente e reversibilmente legato all'emoglobina)
3) Disciolto nel plasma
La quantità di ossigeno disciolto nel plasma dipende dalla solubilità del gas, dalla temperatura e della sua pressione parziale sangue. La legge di Henry regola questo fenomeno. Il parametro variabile è la PO2.
A livello arterioso, la quota di O2 disciolta è di 0.3 ml x 100 di sangue
A livello venoso la quota di O2 si riduce a 0.12
Perchè? Perchè una piccola quota "di quella disciolta è stata ceduta ai tessuti, quindi il sangue refluo venoso del circolo sistemico avrà un minor contenuto della quota di ossigeno disciolto. Questa quota disciolta non è sufficiente da sola ad ossigenare i tessuti. Se si volesse utilizzare l'ossigenazione tessutale soltanto la quota disciolta, la gittata cardiaca dovrebbe aumentare a 80 litri al minuto. Un altro modo per poter aumentare la quota disciolta con una gittata cardiaca normale, è aumentare la pressione parziale di ossigeno di 3-4 volte. Ovviamente, ciò è possibile solo con l'impiego della camera iperbarica  e non nel respiro fisiologico.

Chimicamente e reversibilmente l'ossigeno è legato all' emoglobina

Quasi tutto il potere ossiforico del sangue è dovuto proprio all' emoglobina. L'emoglobina è una proteina coniugata, costituita da 4 subunità e ogni subunità presenta una parte proteica, che si chiama globina, e un gruppo prostetico che è l'eme. Nell'emoglobina adulta vi sono due subunità alfa e due subunità beta. Le subunità alfa sono costituite da 141 aminoacidi e le subunità beta da 146. Legame con la catena alfa: con l'istidina in posizione 87 (istidina prossimale) e un residuo istidinico in posizione 58 detto istidina distale.  Legame con la catena beta: legame prossimale con l'a.a in posizione 92 e distale con a.a in posizione 63 L' eme contiene ferro in forma ferrosa. Quando contiene ferro in forma ferrica, si parla di metaemoglobina e cede ossigeno con notevole difficoltà.

Capacità di trasporto di ossigeno nel sangue

La capacità di O2 è la quantità massima di ossigeno che si combina con l'Hb a una elevata p02.
La capacità di ossigeno varia con il contenuto di Hb in 100 ml di sangue. La concentrazione media di Hb è di 15 gr/100 ml, e visto che 1 grammo di Hb e' in grado di legare 1.34 ml di O2 la massima capacità di trasporto è di 15x1.34= 20.1 ml per ogni 100 ml di sangue( massima capacità di trasporto dell'emoglobina per l'ossigeno). In realtà l'ossigeno legato all'Hb nel sangue arterioso non è di 20,1 ml bensì di 19.5 per 100 ml di sangue perchè alla pO2 di 100 ml di Hg la saturazione percentuale di Hb con l'ossigeno (rapporto tra O2 legato alla Hb e la capacità di O2 x 100 ml è pari al 97.5% e non al 100%
Nel sangue venoso, ove la pressione parziale di ossigeno è di 40 mm Hg, la saturazione è del 75% e quindi l'ossigeno legato all'Hb diminuisce a 15.1 ml x 100 ml di sangue. In percentuale, alla P02 di 100 mmHg la saturazione è del 97.5%.  Di norma, difficilmente si raggiungono gradi di iperventilazione tale da permettere una saturazione totale dell'emoglobina con l'ossigeno. Inoltre, non si raggiunge mai la desaturazione completa, ma resta sempre una piccola quota di ossigeno legata all'Hb.  I dati rivelano, inoltre, che soltanto una minima parte dell'emoglobina verrà deossigenata, perchè cede soltanto 5 ml di ossigeno ai tessuti.
Quindi, l'emoglobina non è soltanto un mezzo di trasporto di^ ossigeno, ma anche una riserva circolante di ossigeno, che verrà utilizzata in condizioni di attività fisica intensa. '
La molecola di riserva di ossigeno, a livello tissutale, è la mioglobina, che non è un tetramero ma un monomero.

Fattori che influenzano il legame dell'ossigeno da parte dell'emoglobina

La velocità di reazione dipende
Dalla pO2 , dalla pCO2, pH, temperatura, concentrazione dell'acido 2-3 bisfosfoglicerico

** pC02
** pH
** temperatura
** concentrazione dell'acido 2-3 bifosfoglicerico

Influenza da parte della pO2.

Per esprimere il rapporta tra la percentuale di saturazione dell'emoglobina con l'O2 (asse delle y) e la pO2 (asse delle x), si disegna la curva di dissociazione, è meglio, di saturazione dell'HbO2. Ha una caratteristica forma sigmoidale o a "S italica". Alla pO2 di 100 mmHg, la quantità è 19.80 ml e la saturazione 97,5%. Man mano che la pO2 diminuisce, si verifica una progressiva riduzione sia della quota di ossigeno legata all'emoglobina, sia di quella disciolta. è importante sottolineare che l'andamento sigmoidale legato all'effetto "cooperativo" delle 4 catene: man mano che si ossigeno la prima catena, l'affinità successiva di legame con le altre catene aumenta; e, viceversa, quando si cede la prima quota di ossigeno, poi le altre catene rilasciano ossigeno con più facilità- allosterismo della proteina. La pendenza della curva è piatta quando la p02 è alta, e ciò indica che si è raggiunta la saturazione; la pendenza è ripida a bassa p02, ossia vi è una bassa saturazione.

La parte piatta rivela che, se anche la pressione parziale di ossigeno dovesse scendere da 100 mmHg a 70-60 mmHg, la saturazione si modificherebbe di poco.
Un soggetto che vive a grandi altezze, e quindi in un ambiente rarefatto può avere una buona saturazione dell'emoglobina.

Influenza da parte della pC02

Un aumento della pC02 diminuisce l'affinità dell'Hb nei confronti dell'ossigeno, quindi:
** a livello polmonare, dove c'è poca CO2, viene favorita la saturazione;
** a livello tissutale, dove c'è molta CO2, come prodotto di rifiuto del metabolismo, viene favorita la desaturazione, ovvero il rilascio di ossigeno ai tessuti.

Influenza da parte del pH

Un pH acido favorisce la desaturazione, un pH più basico favorisce la saturazione. Questo fenomeno è strettamente legato alla presenza di CO 2, poichè la CO 2 tende ad idratarsi, divenendo acido carbonico e poi dissocia spontaneamente in ioni H+ e HCO3", abbassando il pH.
Quindi:
** a livello polmonare, dove c'è poca CO2, vi sono pochi idrogenioni, il pH è leggermente più basico e viene favorita la saturazione ;
** a livello tissutale, dove c'è molta CO2, vi sono molti idrogenioni che abbassano il pH e viene favorita la desaturazione, ovvero il rilascio di ossigeno ai tessuti.

Il rapporto tra pCO2, pH e saturazione dell'emoglobina, và sotto il nome di "effetto Bohr".

Influenza da parte della temperatura

Una diminuzione della temperatura favorisce la saturazione, un aumento della temperatura favorisce la desaturazione.
Quindi:
a livello polmonare, dove la temperatura è più bassa grazie alla ventilazione, viene favorita la saturazione;
a livello tissutale, dove la temperatura è più alta per l'intensa attività dei tessuti, viene favorita la desaturazione, ovvero il rilascio di ossigeno ai tessuti.
In sintesi:
a livello polmonare si avrà uno spostamento della curva verso sinistra perchè viene favorita la saturazione
** a livello tissutale, si avrà uno spostamento della verso destra perchè viene favorita la desaturazione

Effetto dell' 2-3 bifosfoglicerato

Il 2-3 bifosfoglicerato si ottiene da una via metabolica collaterale alla glicolisi.
Quando aumenta l'l-3 bifosfoglicerato, se si creano le condizioni opportune, una mutasi lo converte in 2-3 bifosfoglicerato.
Il 2-3 bifosfoglicerato si lega alle catene beta dell'emoglobina e ne riduce l'affinità nei confronti dell'ossigeno, che viene ceduto. Il legame è esclusivo: o ossigeno, o acido 2-3 bifosfoglicerico.
Fattori che influenzano la produzione di 2-3 bifosfoglicerato:
- l'ipossia l'aumenta

- l'alcalosi l'aumenta

- l'acidosi lo riduce

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