Apparato respiratorio: centri di controllo e feedback chimico in Biologia

Apparato respiratorio

IEMO 21/05/2025U
Apparato
respiratorio

• Centri della respirazione
• Olfatto

Centri della respirazione

• Respirazione alta: innalzamento di coste, clavicole e
  spalle + contrazione dell'addome
  abbassamento del
  diaframma
• Respirazione media: parziale espansione del torace +
  innalzamento coste + contrazione addominale
  abbassamento del diaframma
• Respirazione bassa
  respirazione addominale, anche
  detta profonda/diaframmatica.

Processo di respirazione

La respirazione è il processo che garantisce all'organismo
l'apporto di ossigeno e l'eliminazione dell'anidride
carbonica.
Può essere controllata volontariamente, ad es. mentre
tratteniamo il respiro, ma per la maggior parte del tempo è
regolata automaticamente dal sistema nervoso centrale.
Le strutture del SNC responsabili sono i centri di controllo
della respirazione.

Centri di controllo della respirazione

I centri di controllo della respirazione si trovano nel tronco
encefalico, in particolare in due segmenti che sono:

• Il bulbo
• Il ponte

Il controllo avviene grazie a
chemocettori che
elaborano i segnali ricevuti
e regolano la frequenza
respiratoria e la profondità
degli atti respiratori.
Thalamus
Optic Chiasma
Optic Tract
Infundibulum
(Pituitary Removed)
Optic Nerve (II)
Diencephalon
Diencephalon
Floor Of
Hypothalamus
Mammillary Body
Oculomotor Nerve (III)
Crus Cerebri Of
Cerebral Peduncles
(Midbrain)
Trochlear Nerve (IV)
Midbrain
Pons
Trigeminal Nerve (V)
Abducens Nerve (VI)
Pons
Middle Cerebellar
Peduncle
Facial And
Intermediate Nerves (VII)
Brainstem
Pyramid
Glossopharyngeal Nerve (IX)
Vagus Nerve (X)
Medulla
Hypoglossal Nerve (XII)
Decussation
Of Pyramids
Accessory Nerve (XI)
Cervical Ventral Root
Spinal Cord
Vestibulocochlear Nerve (VIII)

Centro bulbospinale

È suddiviso in due gruppi principali:

• Gruppo respiratorio dorsale (GRD): controlla
  l'inspirazione. Riceve segnali sensoriali dai
  chemocettori e manda impulsi alla muscolatura
  inspiratoria
  diaframma
• Gruppo respiratorio ventrale (GRV): coinvolto
  nell'espirazione forzata e in condizioni di
  respirazione aumentata (esercizio fisico, stress)

Componenti del centro bulbospinale

Peduncolo
cerebellare
medio
Peduncolo
cerebellare
superiore
Peduncolo
cerebellare
interiore
Centro espiratorio
CR
Centro inspiratorio
Bulbo
CENTRI DEL RESPIRO
GRD
GRV
Ponte
Centro apneustico
IV ventricolo
Centro apneustico
b
GRD
Complesso preBötzinger
Nervo glossofaringeo (IX)
GRV
Nervo vago (X)
Bulbo
Primo nervo
spinale cervicale
a

Centri pontini

Centro pneumotassico

Si trova nel ponte, regola il ritmo respiratorio limitando la durata
dell'inspirazione e favorendo quindi l'inizio dell'espirazione.
L'effetto è la modulazione della frequenza respiratoria.
Ponte
Centri
respiratori
pontini
Centro
pneumotassico
Centro
apneustico

Centri della respirazione nel ponte

Centro apneustico

Si trova nel ponte. Ha un effetto opposto rispetto a quello del
centro pneumotassico, quindi il suo ruolo è quello di
prolungare l'inspirazione.
In condizioni normali la sua azione viene bilanciata dall'azione
del centro pneumotassico.

Controllo della respirazione

Feedback chimico

Il controllo della respirazione dipende soprattutto da segnali
chimici:

• Chemocettori centrali: si trovano nel bulbo.
  Rispondono a cambiamenti di CO2 e pH del liquido
  cerebrospinale.
• Chemocettori periferici: si trovano nei glomi carotidei
  e aortici. Sono sensibili alle variazioni di O2, CO2 e pH
  nel sangue.

Regolazione della respirazione

Quindi:

• Quando la concentrazione di anidride carbonica aumenta
  ipercapnia, i centri respiratori aumentano la ventilazione per
  espellerla.
• Lo stesso avviene se la concentrazione di ossigeno scende
  ipossia. In questo caso la respirazione viene stimolata per
  aumentare l'apporto di 02.

Controllo volontario della respirazione

La respirazione può essere in parte controllata dalla volontà,
grazie al coinvolgimento di centri superiori (corteccia
cerebrale).
Il controllo volontario entra in gioco per:

• Parlare
• Cantare
• Trattenere il fiato

Tuttavia, se l'apnea volontaria è prolungata, l'accumulo di
CO2 stimola i chemocettori e quindi i centri respiratori che
forzano la ripresa della respirazione.

Olfatto

L'olfatto è uno dei 5 sensi, permette di distinguere gli odori.
È un senso chimico
il nostro corpo è in grado di rilevare
molecole volatili presenti nell'aria.
Il sistema olfattivo è in grado di riconoscere migliaia di
odori diversi, a
azioni molto basse.
Apparato olfattivo
Bulbo olfattivo
Cellula mitrale
Bulbo
olfattivo
Glomerulo
Placca
cribriforme
Assone
Lamina
propria
Recettori olfattivi
Cellula
basale
Cellule di sostegno
Ghiandola di Bowman
Aria e molecole odoranti
Mucosa
Ciglia
olfattive
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Capacità olfattiva

Siamo in grado di distinguere circa 10.000 odori diversi,
ma rispetto agli altri animali abbiamo una capacità
olfattiva più ridotta, dovuta a:

• Numero di recettori
• Estensione dell'epitelio olfattivo (nell'essere umano
  circa 5 cm2 per narice)

Struttura del sistema olfattivo

Il processo olfattivo coinvolge diverse strutture localizzate nel naso e
nel cervello:

1. Cavità nasale. Nella parte superiore della cavità si trova l'epitelio
   olfattivo, una zona ricca di cellule specializzate:

• Cellule olfattive: neuroni sensoriali che possiedono recettori
  in grado di legarsi a specifiche molecole odorose
• Cellule di supporto = cellule basali. Sostengono e rigenerano
  le cellule olfattive.

Cellule olfattive

Sono neuroni specializzati, di tipo
bipolare, con un corpo cellulare
allungato.
La superficie apicale (verso la cavità
nasale) si allunga in un prolungamento
che termina in un nodo olfattivo.
Dal nodo olfattivo partono ciglia che si
immergono nel muco nasale dove le
molecole odorose vengono catturate.
Ghiandole di Bowman
producono
Dendrite
BIPOLAR NEURON
Cell body
Axon
Axon terminals
muco.

Recettori olfattivi

2. Recettori olfattivi: ogni recettore è specifico per un
certo tipo di molecola.
Quando inaliamo, le molecole odorose si dissolvono nel
muco che ricopre l'epitelio olfattivo e si legano ai
recettori.
Il legame genera un impulso nervoso che viene trasmesso
attraverso i prolungamenti delle cellule olfattive.

Bulbo olfattivo

3. Bulbo olfattivo
Le molecole si legano ai recettori sulla superficie delle
ciglia delle cellule olfattive; i loro assoni portano le
informazioni al bulbo olfattivo.
Il bulbo olfattivo è una struttura che si trova alla base del
cervello, sopra la lamina cribrosa dell'etmoide.
Gli assoni entrano nel bulbo in fascetti che attraversano i
fori della lamina cribrosa e formano il nervo olfattivo (I n.
cranico).

Funzione del bulbo olfattivo

Nel bulbo olfattivo gli assoni delle cellule olfattive formano sinapsi
con i dendriti delle cellule mitrali o con quelli delle cellule a
pennacchio (neuroni di II ordine)
glomeruli.
Cellule granulari modulano la funzione degli altri due tipi di cellule.
Bulbo e nervo
olfattivo
Lamina
cribrosa
Bulbo olfattivo
Cavità
nasale
Cavità
nasale
Filamenti olfattivi
I filamenti olfattivi arrivano alla cavità
nasale attraverso la lamina cribrosa

Corteccia cerebrale e sistema limbico

4. Corteccia cerebrale e sistema limbico
Dal bulbo olfattivo, le informazioni vengono trasmesse a:

• Corteccia olfattiva primaria: percezione cosciente dell'odore
• Sistema limbico (amigdala e ippocampo): l'odore acquisisce
  una connotazione emotiva (ad es. viene legato ad emozioni e
  ricordi).

Adattamento olfattivo

Per adattamento olfattivo si intende la capacità del
nostro cervello di ignorare la presenza di un certo
odore se restiamo esposti a lungo a questo.
Questo fenomeno ci permette di concentrare le
attenzioni su nuovi stimoli olfattivi.

Il metabolismo energetico

Il metabolismo dell'organismo corrisponde all'insieme
delle reazioni e dei processi mediante i queli le molecole
biologiche vengono scisse e risintetizzate
reazioni
enzimatiche.
L'insieme delle reazioni enzimatiche permette
all'organismo di produrre e utilizzare energia libera.

Attività metaboliche della cellula

Le attività metaboliche della cellula comprendono:

• Reazioni anaboliche: portano alla sintesi di
  molecole complesse. Richiedono energia.
• Reazioni cataboliche:
  portano alla degradazione
  di molecole complesse in
  composti semplici.
  Liberano energia.
  Metaboliti complessi
  ADP + HPO2-
  NADP+
  Degradazione
  Biosintesi
  ATP
  NADPH
  Prodotti semplici

Processi metabolici

Energy-
containing
nutrients
Energy-
depleted
end products
Catabolism
Carbohydrates
Fats
Proteins
CO2
H2O
NH3
ADP+ HPO2
NAD+
NADP+
FAD
ATP
NADH
NADPH
FADH2
Chemical
energy
Cell
macromolecules
Precursor
molecules
Proteins
Polysaccharides
Lipids
Nucleic acids
Anabolism
Amino acids
Sugars
Fatty acids
Nitrogenous bases

Organismi e metabolismo

Distinguiamo organismi:

• Autotrofi: chemiolitotrofi, fotoautotrofi. Sfruttano
  l'ossidazione di composti inorganici (NH , H S, H O,
  2
  2
  CO2)
• Eterotrofi: aerobi e anaerobi (facoltativi/obbligati).
  Sfruttano l'ossidazione di composti organici
  carboidrati, proteine e lipidi

Compartimentalizzazione dei processi metabolici

Nella cellula i processi metabolici avvengono in siti
specifici.
Vantaggio: le vie metaboliche opposte e le attività
enzimatiche antagoniste sono compartimentalizzate
Svantaggio: abbiamo necessità di trasportatori attraverso
le membrane che delimitano i compartimenti cellulari

Amminoacidi e proteine

Le proteine sono composte da amminoacidi disposti a
formare una catena lineare e uniti tra di loro da legami
peptidici.
Le proteine possono essere:

• Enzimi in grado di catalizzare le reazioni metaboliche
• Proteine strutturali, ad es. quelle del citoscheletro
• Proteine coinvolte nella segnalazione cellulare o
  nella risposta immunitaria

Lipidi

Gruppo eterogeneo. Hanno la funzione di:

• Elementi strutturali, infatti costituiscono le
  membrane interne ed esterne ad es. la membrana
  cellulare
• Fonte di energia

Sono molecole idrofobe o anfipatiche.
Esempi: acidi grassi, glicerolo, trigliceridi (glicerolo + 3
esteri di acidi grassi), steroidi (colesterolo).

Carboidrati (Glucidi)

Gruppo di sostanze che dal punto di vista chimico sono
aldeidi o chetoni, in catene lineari o ad anello.
Sono le molecole più importanti per la conservazione e
il trasporto dell'energia e per la sintesi di componenti
strutturali.
Unità base: monosaccaridi (es. glucosio, galattosio,
fruttosio)