Apparato Respiratorio

Le cellule del corpo umano richiedono un flusso costante di ossigeno per rimanere in vita. L’apparato respiratorio fornisce ossigeno alle cellule del corpo mentre rimuove l’anidride carbonica, un prodotto di scarto che può essere letale se accumulato. Ci sono 3 parti principali del sistema respiratorio: le vie aeree, i polmoni e i muscoli della respirazione. Le vie aeree, che comprendono naso, bocca, faringe, laringe, trachea, bronchi e bronchioli, trasportano l’aria tra i polmoni e l’esterno del corpo.

I polmoni agiscono come unità funzionali del sistema respiratorio facendo passare ossigeno nel corpo e anidride carbonica fuori dal corpo. Infine, i muscoli della respirazione, inclusi il diaframma e i muscoli intercostali, lavorano insieme per agire da pompa, spingendo l’aria dentro e fuori dai polmoni durante la respirazione.

Anatomia del Sistema Respiratorio

Naso e cavità nasale

Il naso e la cavità nasale formano l’apertura principale esterna per il sistema respiratorio e sono la prima sezione delle vie aeree del corpo, il tratto respiratorio attraverso il quale si muove l’aria. Il naso è una struttura del viso fatta di cartilagine, ossa, muscoli e pelle che sostiene e protegge la porzione anteriore della cavità nasale. La cavità nasale è uno spazio cavo all’interno del naso e del cranio rivestito di peli e membrana mucosa. La funzione della cavità nasale è di riscaldare, idratare e filtrare l’aria che entra nel corpo prima che raggiunga i polmoni. I peli e il muco che rivestono la cavità nasale aiutano a intrappolare polvere, muffe, pollini e altri contaminanti ambientali prima che possano raggiungere le parti interne del corpo. L’aria che esce dal corpo attraverso il naso restituisce umidità e calore alla cavità nasale prima di essere espirata nell’ambiente.

Bocca

La bocca, nota anche come cavità orale, è l’apertura esterna secondaria per il tratto respiratorio. La respirazione più normale avviene attraverso la cavità nasale, ma la cavità orale può essere utilizzata per integrare o sostituire le funzioni della cavità nasale quando necessario. Poiché la via d’aria che entra nel corpo dalla bocca è più corta della via d’aria che entra dal naso, la bocca non riscalda e idrata l’aria che entra nei polmoni e il naso svolge questa funzione. In bocca mancano anche i peli e il muco appiccicoso che filtra l’aria che passa attraverso la cavità nasale. L’unico vantaggio di respirare attraverso la bocca è che la sua minore distanza e il suo diametro maggiore permettono all’aria di entrare rapidamente nel corpo.

Faringe

La faringe, nota anche come gola, è un imbuto muscolare che si estende dall’estremità posteriore della cavità nasale all’estremità superiore dell’esofago e della laringe. La faringe è divisa in 3 regioni: rinofaringe, orofaringe e laringofaringe. La rinofaringe è la regione superiore della faringe che si trova nella parte posteriore della cavità nasale. L’aria inalata dalla cavità nasale passa nella rinofaringe e scende attraverso l’orofaringe, situata nella parte posteriore della cavità orale. L’aria inspirata attraverso la cavità orale entra nella faringe all’orofaringe. L’aria inalata scende quindi nella laringofaringe, dove viene deviata nell’apertura della laringe dall’epiglottide. L’epiglottide è un lembo di cartilagine elastica che funge da interruttore tra la trachea e l’esofago. Poiché la faringe è anche usata per ingoiare cibo, l’epiglottide assicura che l’aria passi nella trachea coprendo l’apertura all’esofago. Durante il processo di deglutizione, l’epiglottide si sposta per coprire la trachea per garantire che il cibo entri nell’esofago e per prevenire il soffocamento.

Laringe

La laringe, nota anche come casella vocale, è una breve sezione delle vie aeree che collega la laringofaringe e la trachea. La laringe si trova nella porzione anteriore del collo, appena sotto l’osso ioide e sopra la trachea. Diverse strutture cartilaginee costituiscono la laringe e le danno la sua struttura. L’epiglottide è uno dei pezzi di cartilagine della laringe e serve come copertura della laringe durante la deglutizione. Sotto l’epiglottide c’è la cartilagine tiroidea, che viene spesso indicata come la mela di Adamo, in quanto è più comunemente ingrandita e visibile nei maschi adulti. La tiroide tiene aperta la parte anteriore della laringe e protegge le corde vocali. Sotto la cartilagine tiroidea c’è la cartilagine cricoide a forma di anello che tiene aperta la laringe e sostiene la sua estremità posteriore. Oltre alla cartilagine, la laringe contiene strutture speciali note come corde vocali, che permettono al corpo di produrre i suoni della parola e del canto. La tensione e la velocità di vibrazione delle corde vocali possono essere modificate per cambiare il tono che producono.

Trachea

La trachea  è un tubo lungo circa 13 centimetri costituito da anelli di cartilagine ialina a forma di C rivestiti con epitelio colonnare ciliato pseudostratificato. La trachea collega la laringe ai bronchi e permette all’aria di passare attraverso il collo e nel torace. Gli anelli di cartilagine che formano la trachea gli permettono di rimanere sempre all’aria aperta. L’estremità aperta degli anelli della cartilagine è rivolta posteriormente verso l’esofago, permettendo all’esofago di espandersi nello spazio occupato dalla trachea per accogliere le masse di cibo che si muovono attraverso l’esofago.

La funzione principale della trachea è quella di fornire una via aerea pulita per l’ingresso e l’uscita dell’aria dai polmoni. Inoltre, l’epitelio che riveste la trachea produce del muco che intrappola la polvere e altri contaminanti e impedisce di raggiungere i polmoni. Le ciglia sulla superficie delle cellule epiteliali muovono il muco superiormente verso la faringe dove può essere ingerito e digerito nel tratto gastrointestinale.

Bronchi e bronchioli

Sulll’estremità inferiore della trachea, le vie aeree si dividono in rami sinistro e destro noti come i bronchi primari. I bronchi destro e sinistro corrono in ciascun polmone prima di diramarsi in piccoli bronchi secondari. I bronchi secondari portano aria nei lobi dei polmoni-2 nel polmone sinistro e 3 nel polmone destro. I bronchi secondari a loro volta si dividono in molti bronchi terziari più piccoli all’interno di ciascun lobo. I bronchi terziari si dividono in molti bronchioli più piccoli che si diffondono nei polmoni. Ogni bronchiolo si divide ulteriormente in molti rami più piccoli di diametro inferiore al millimetro chiamati bronchioli terminali. Infine, i milioni di minuscoli bronchioli terminali conducono aria agli alveoli dei polmoni.

Mentre le vie aeree si dividono nei rami simili a rami di alberi dei bronchi e dei bronchioli, la struttura delle pareti delle vie aeree comincia a cambiare. I bronchi primari contengono molti anelli di cartilagine a forma di C che tengono saldamente aperte le vie respiratorie e danno ai bronchi una forma trasversale come un cerchio appiattito o una lettera D. Come i bronchi si diramano in bronchi secondari e terziari, la cartilagine diventa più distanziata e più muscolatura liscia e proteine ​​di elastina si trovano nelle pareti. I bronchioli si differenziano dalla struttura dei bronchi in quanto non contengono affatto cartilagine. La presenza di muscoli lisci ed elastina consente ai più piccoli bronchi e bronchioli di essere più flessibili e contrattili.

La funzione principale dei bronchi e dei bronchioli è di trasportare aria dalla trachea nei polmoni. Il tessuto muscolare liscio nelle loro pareti aiuta a regolare il flusso d’aria nei polmoni. Quando il corpo richiede un volume maggiore di aria, ad esempio durante l’attività fisica, il muscolo liscio si rilassa per dilatare bronchi e bronchioli. Le vie aeree dilatate forniscono meno resistenza al flusso d’aria e consentono a più aria di entrare e uscire dai polmoni. Le fibre muscolari lisce sono in grado di contrarsi durante il riposo per prevenire l’iperventilazione. Anche i bronchi e i bronchioli usano il muco e le ciglia del loro rivestimento epiteliale per intrappolare e spostare polvere e altri contaminanti lontano dai polmoni.

Polmoni

I polmoni sono un paio di grandi organi spugnosi  che si trovano nel torace a lato del cuore e sopra il diaframma. Ogni polmone è circondato da una membrana pleurica che fornisce al polmone lo spazio per espandersi e uno spazio di pressione negativo rispetto all’aspetto esterno del corpo. La pressione negativa consente ai polmoni di riempirsi passivamente di aria mentre si rilassano. I polmoni sinistro e destro sono leggermente diversi per dimensioni e forma a causa del cuore che punta verso il lato sinistro del corpo. Il polmone sinistro è quindi leggermente più piccolo del polmone destro ed è costituito da 2 lobi mentre il polmone destro ha 3 lobi.

L’interno dei polmoni è costituito da tessuti spugnosi contenenti molti capillari e circa 30 milioni di piccoli sacchi noti come alveoli. Gli alveoli sono strutture a forma di coppa che si trovano all’estremità dei bronchioli terminali e circondate da capillari. Gli alveoli sono rivestiti da un sottile e semplice epitelio squamoso che consente all’aria di entrare negli alveoli per scambiare i suoi gas con il sangue che passa attraverso i capillari.

Muscoli della respirazione

Intorno ai polmoni ci sono gruppi muscolari in grado di provocare l’inalazione o l’espirazione di aria dai polmoni. Il principale muscolo della respirazione nel corpo umano è il diaframma, un sottile strato di muscolo scheletrico che forma il pavimento del torace. Quando il diaframma si contrae, si muove inferiormente di qualche centimetro nella cavità addominale, espandendo lo spazio all’interno della cavità toracica e tirando aria nei polmoni. Il rilassamento del diaframma consente all’aria di fluire fuori dai polmoni durante l’espirazione.

Tra le costole ci sono molti piccoli muscoli intercostali che assistono il diaframma con l’espansione e la compressione dei polmoni. Questi muscoli sono divisi in 2 gruppi: i muscoli interni intercostali e i muscoli intercostali esterni. I muscoli intercostali interni sono l’insieme più profondo di muscoli e deprimono le costole per comprimere la cavità toracica e forzare l’aria da espirare dai polmoni. Gli intercostali esterni sono trovati superficiali agli intercostali interni e funzionano per elevare le costole, espandendo il volume della cavità toracica e facendo respirare aria nei polmoni.

Fisiologia del sistema respiratorio

Ventilazione polmonare

La ventilazione polmonare è il processo di spostamento dell’aria dentro e fuori i polmoni per facilitare lo scambio di gas. L’apparato respiratorio utilizza sia un sistema di pressione negativa che la contrazione dei muscoli per ottenere una ventilazione polmonare. Il sistema di pressione negativa dell’apparato respiratorio comporta l’instaurarsi di un gradiente di pressione negativo tra gli alveoli e l’atmosfera esterna. La membrana pleurica sigilla i polmoni e mantiene i polmoni a una pressione leggermente inferiore a quella dell’atmosfera quando i polmoni sono a riposo. Ciò si traduce in aria seguendo il gradiente di pressione e riempiendo passivamente i polmoni a riposo. Quando i polmoni si riempiono di aria, la pressione all’interno dei polmoni sale fino a raggiungere la pressione atmosferica. A questo punto, più aria può essere inalata dalla contrazione del diaframma e dai muscoli intercostali esterni, aumentando il volume del torace e riducendo nuovamente la pressione dei polmoni al di sotto di quella dell’atmosfera.

Per espirare l’aria, il diaframma e i muscoli intercostali esterni si rilassano mentre i muscoli intercostali interni si contraggono per ridurre il volume del torace e aumentare la pressione all’interno della cavità toracica. Il gradiente di pressione è ora invertito, provocando l’espirazione dell’aria fino a quando le pressioni all’interno dei polmoni e all’esterno del corpo sono uguali. A questo punto, la natura elastica dei polmoni li induce a ritrattare nuovamente al loro volume di riposo, ripristinando il gradiente di pressione negativo presente durante l’inalazione.

Respirazione esterna

La respirazione esterna è lo scambio di gas tra l’aria che riempie gli alveoli e il sangue nei capillari che circondano le pareti degli alveoli. L’aria che entra nei polmoni dall’atmosfera ha una maggiore pressione parziale di ossigeno e una pressione parziale più bassa di biossido di carbonio rispetto al sangue nei capillari. La differenza nelle pressioni parziali fa sì che i gas si diffondano passivamente lungo i loro gradienti di pressione da alta a bassa pressione attraverso il semplice rivestimento epiteliale squamoso degli alveoli. Il risultato netto della respirazione esterna è il movimento dell’ossigeno dall’aria nel sangue e il movimento dell’anidride carbonica dal sangue nell’aria. L’ossigeno può quindi essere trasportato nei tessuti del corpo mentre l’anidride carbonica viene rilasciata nell’atmosfera durante l’espirazione.

Respirazione interna

La respirazione interna è lo scambio di gas tra il sangue nei capillari e nei tessuti del corpo. Il sangue capillare ha una pressione parziale superiore di ossigeno e una pressione parziale inferiore di biossido di carbonio rispetto ai tessuti attraverso i quali passa. La differenza nelle pressioni parziali porta alla diffusione dei gas lungo i loro gradienti di pressione da alta a bassa pressione attraverso il rivestimento dell’endotelio dei capillari. Il risultato netto della respirazione interna è la diffusione dell’ossigeno nei tessuti e la diffusione dell’anidride carbonica nel sangue.

Trasporto di gas

I 2 principali gas respiratori, l’ossigeno e il biossido di carbonio, vengono trasportati attraverso il corpo nel sangue. Il plasma sanguigno ha la capacità di trasportare ossigeno disciolto e anidride carbonica, ma la maggior parte dei gas trasportati nel sangue sono legati alle molecole di trasporto. L’emoglobina è un’importante molecola di trasporto presente nei globuli rossi che trasporta quasi il 99% dell’ossigeno nel sangue. L’emoglobina può anche trasportare una piccola quantità di anidride carbonica dai tessuti ai polmoni. Tuttavia, la maggior parte del biossido di carbonio viene trasportato nel plasma come ione bicarbonato. Quando la pressione parziale del biossido di carbonio è elevata nei tessuti, l’enzima anidrasi carbonica catalizza una reazione tra biossido di carbonio e acqua per formare acido carbonico. L’acido carbonico si dissocia quindi in ione idrogeno e ione bicarbonato. Quando la pressione parziale del biossido di carbonio è bassa nei polmoni, le reazioni si invertono e il biossido di carbonio viene liberato nei polmoni per essere espirato.

Controllo omeostatico della respirazione

In condizioni di riposo normali, il corpo mantiene una frequenza e una profondità di respirazione silenziose chiamate eupnea. L’eupnea viene mantenuta fino a quando la richiesta corporea di ossigeno e la produzione di anidride carbonica aumentano a causa di un maggiore sforzo. I chemocettori controllano le pressioni parziali di ossigeno e anidride carbonica nel sangue e inviano segnali al centro respiratorio del tronco encefalico. Il centro respiratorio regola quindi la velocità e la profondità della respirazione per riportare il sangue ai suoi normali livelli di pressione parziale del gas.

Problemi di salute che interessano il sistema respiratorio

Quando qualcosa danneggia la nostra capacità di scambiare il biossido di carbonio con l’ossigeno, questo è ovviamente un problema serio. Molti problemi di salute possono causare problemi respiratori, da allergie e asma a polmonite e cancro ai polmoni. Le cause di questi problemi sono altrettanto varie, tra cui l’infezione (batterica o virale), l’esposizione ambientale (inquinamento o fumo di sigaretta, per esempio), l’ereditarietà genetica o una combinazione di fattori. A volte l’insorgenza è così graduale che non cerchiamo assistenza medica finché la condizione diventa avanzata. A volte, come nel caso della malattia genetica chiamata deficit di alfa-1 antitripsina (A1AD), i sintomi si insinuano gradualmente e sono spesso sottodiagnosticati o diagnosticati erroneamente.