Diffusione e scambi gassosi nel sistema respiratorio

Diffusione e Scambi Gassosi

La scorsa volta abbiamo finito la lezione relativa alla meccanica respiratoria, oggi passeremo ad un altro importante argomento legato alla respirazione: la diffusione e gli scambi gassosi che avvengono attraverso la barriera alveolo-capillare.

Introduzione alla lezione

Gli argomenti che tratteremo nel corso della lezione sono:

• La struttura della barriera alveolo-capillare
• Prima legge di Flick
• Capacità di diffusione (DL): parleremo della sua definizione, della sua misura e dei fattori che la determinano.
• Transfer alveolo-capillare dei gas: dimostreremo come in un tempo limitato (quello del transito dei gas nei capillari), i gas abbiano la possibilità di diffondere attraverso la barriera alveolo- capillare. Capiremo anche come questa diffusione può essere limitata dalla quantità di sangue che percorre i capillari.
• Il caso dell'ossigeno: parleremo più nel dettaglio del transfer alveolo-capillare riferito all'ossigeno con esempi in caso di ipossia, durante l'esercizio e in presenza di patologia.

Struttura della barriera alveolo-capillare

Come è già stato trattato nelle lezioni precedenti, durante la panoramica generale sull'anatomia funzionale del sistema respiratorio, la barriera alveolo-capillare è una struttura estremamente ampia in termini di superficie (50-100 m2) ma allo stesso tempo estremamente sottile (0,3 micron). Essa infatti è formata:

Spazio interstiziale Membrana basale del capillare Alveolo Capillare Strato liquido con surfactante Diffusione O2 Diffusione Epitelio alveolare CO2 Globulo rosso Membrana basale dell'epitelio alveolare Endotelio del capillare FIGURA 14.27 Modello schematico della struttura della membrana respiratoria.

• Parte alveolare: composta dalla cellula epiteliale alveolare rivestita dallo stato liquido di surfactante (molto importante per i discorsi di tensione superficiale trattati in precedenza).
• Membrana basale dell'epitelio alveolare: tra l'epitelio alveolare e l'endotelio capillare è presente uno strato formato dalla membrana basale, ma questa è una condizione comune a tutti a tipi di epitelio come insegna lo studio dell'istologia.
• Spazio interstiziale: che può anche essere virtuale. 1- Endotelio capillare: anche in questo caso si parte da una membrana basale del capillare per poi passare all'endotelio capillare che si interfaccia con il sangue.

Attraverso questa sottile membrana alveolo-capillare i gas possono diffondere facilmente, proprio perché durante il loro passaggio incontrano una resistenza minima dovuta solamente alla presenza di due strati cellulari a stretto contatto.

Il prof sottolinea nuovamente le dimensioni fisiche della barriera alveolo-capillare: da una parte l'area molto estesa che arriva a 50-100 m2, dall'altra lo spessore di circa 0,3 micron. Motivo per cui ossigeno e anidride carbonica possono diffondere dall'aria al sangue e viceversa.

Legge di Flick e Capacità di diffusione (DL)

Leggi della diffusione

Legge di Fick Dx S . M' = S . D . AJ5/Dx · V'ans = S . D . AP/Dx . gas · V'o2 = S . D . APO2/D, D: costante di diffusione D & Sol/SPM Js Us x 1 2 Come al solito parlando di gas ci si imbatte in una legge della fisica che ne descrive il comportamento e le modalità con cui avvengono gli scambi gassosi nel nostro corpo attraverso il sistema respiratorio. La legge di Fick definisce la capacità di diffusione di un gas (DL). Nel farlo considera come parametri una costante di diffusione, diversa per ogni gas, la superficie attraverso cui avviene la diffusione e lo spessore della barriera attraverso cui avviene la diffusione. Quindi gli elementi che vengono presi in considerazione per definire quanto un gas può diffondere sono il grado di spessore della barriera, la superficie e la costante di diffusione caratteristica di ogni gas.

Aria atmosferica = miscela di gas (principalmente O2, N2, CO2) > La velocità di diffusione di un gas (quantità di gas che diffonde nell'unità di tempo) è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale (pgas), che, per la Legge di Dalton è proporzionale alla concentrazione percentuale del gas nella miscela. Pgas = % gas . P miscela Tornando a quanto era già stato introdotto relativamente alla composizione dell'aria P aria (livello del mare) = 760 mmHg. Composizione: atmosferica, sappiamo che questa è una miscela di O2: 20.84% pO2 = 159 mmHg gas formata principalmente da ossigeno, azoto e CO2: 0.04% N2: 78.62% pN2 = 597mmHg pCO2 = 0.3 mmHg anidride carbonica. Sappiamo inoltre che la velocità di diffusione di un gas è direttamente proporzionale alla pressione parziale, che per la legge di Dalton è a sua volta proporzionale alla concentrazione percentuale del gas nella miscela.

A livello del mare, 760 mmHg, in particolare pO2=159 mmHg e pCO2=0,3 mmHg.

Aria inspirata Pgas = % gas · (Pmiscela - PH20) pO2 = 149 mmHg pN2 = 563 mmHg pCO2 = 0.3 mmHg L'aria che invece entra nelle vie aeree (quella inspirata) viene umidificata. Il vapore acqueo esercita una pressione parziale di 47 mmHg (pH2O) e quindi cambiano le pressioni parziali. Il professore dice che tratta questa parte in velocità in quanto è già stata fatta in 2 CAPACITA' DI DIFFUSIONE DL = S . D /Dxprecedenza ma per comodità lascio comunque a fianco l'immagine con i vari valori delle pressioni parziali man mano che l'aria passa dall'atomosfera agli alveoli.

A questo punto si arriva agli alveoli ed è importante fare delle considerazioni che permettono di capire perché la pressione parziale dei vari gas cambia da aria inspirata ad aria alveolare.

Aria alveolare: pO2 = 100 mmHg pCO2 = 40 mmHg Innanzitutto ad ogni atto respiratorio si ha un continuo ricambio lento dell'aria alveolare e questo contrasta lo squilibrio, tendendo a calmierare lo scambio di gas che avviene a livello alveolare, per evitare di avere improvvisi cambiamenti delle concentrazioni e quindi delle pressioni parziali dei gas a livello del sangue. Le pressioni parziali a questo livello diventano quindi di 100 e di 40 mmHg per quanto riguarda rispettivamente l'ossigeno e l'anidride carbonica.

Riassumendo, può essere utile considerare lo schema a fianco che ripercorre le variazioni delle pressioni parziali nei vari passaggi. Nell'aria inspirata pressioni di 149 e 0,3 mmHg, mentre nell'alveolo la situazione è completamente diversa con valori che passano a 100 e 40 mmHg. In particolare la pCO2 passa a 40 mmHg Aria perché lo scambio che avviene con il compartimento del O2 149 mmHg CO2 0.3 mmHg capillare, che ha pCO2=46 mmHg, è uno scambio con un sangue venoso (a questo punto il professore fa una digressione sulla piccola circolazione ripetendo che il Alveolo O2 100 sangue ricco di anidride carbonica viene pompato dal CO2 40 ventricolo destro, attraversando l'arteria polmonare e raggiungerà poi i capillari polmonari. Ci tiene dunque a O2 40 O2 100 rimarcare che il sangue dei capillari polmonari è ricco di anidride carbonica e ha quindi una pCO2 più elevata). CO2 40 CO2 46 Sangue La pO2 del capillare ha invece un valore di 40 mmHg, più basso rispetto a quello dell'alveolo in quanto il sangue venoso che giunge ai polmoni ha già ceduto l'ossigeno nel suo precedente passaggio in peroferia.

Nel tempo (che vedremo essere inferiore a 1s) in cui il sangue attraversa il capillare la situazione quindi cambia completamente: il sangue si ossigena e raggiunge una situazione si equilibrio con l'alveolo (pO2=100 mmHg), mentre l'anidride carbonica viene rilasciata all'interno dell'alveolo e la sua pressione parziale si abbassa quindi a pCO2=40 mmHg. Ovviamente la direzione dello scambio gassoso dipende dalla relativa pressione parziale, quindi con una pO2 maggiore nell'alveolo, l'ossigeno tenderà a diffondere dall'alveolo verso il sangue. Viceversa se la pCO2 è più alta nel sangue, l'anidride carbonica tenderà a diffondere dal sangue all'alveolo.

E' sempre bene tenere a mente, quindi, che le forze in gioco che permettono gli scambi gassosi e ne determinano la direzionalità attraverso la membrana alveolo-capillare sono proprio le pressioni parziali.

3Consideriamo ora questo grafico che presenta nell'asse delle ascisse il livello di ventilazione alveolare, espresso in L/min, e nell'asse delle ordinate le pressioni parziali alveolari di ossigeno e anidride carbonica. Il grafico descriverà dunque come cambiano le pressioni pariali dei due gas in condizioni di ipoventilazione e di iperventilazione.

Parlando di ventilazione alveolare, questa tende a muoversi in range piuttosto ristretti per un'ampia gamma di valori. Vediamo che partendo dai valori normali a riposo di ventilazione alveolare (4 L/min). Il professore specifica che il valore di 4 L/min è ottenuto sapendo che scambiamo 5-6 L/min di aria ma c'è lo spazio morto che va considerato e quindi a livello alveolare non arrivano 5-6 L ma 4 L di aria. Passando poi ad una situazione di iperventilazione, arrivando anche al doppio dell'aria scambiata con l'atmosfera, è possibile forzare un po' il sistema andando ad aumentare la pO2 fino al raggiunfimento di un plateau a circa 130-140 mmHg e riducendo la pCO2 fino a circa 25-30 mmHg. Il senso del discorso che sta cercando di fare è che a fronte di un raddoppio della quantità di aria inalata ho sì un aumento della pO2 una diminuzione della pCO2 ma queste variazioni non sono così elevate come ci si aspetterebbe da un raddoppio della ventilazione. Al contrario invece, in una condizione di ipoventilazione, 150 avremo una pericolosa caduta dei valori di pO2 e una salita dei valori di pCO2. Per cui, se partendo da una O2 condizone di riposo si dimezza la capacità di introdurre 100 Valori normali a riposo aria vedete che la pressione parziale di ossigeno diventa 50 mmHg, quindi ha un impatto molto maggiore sulle pressioni parziali una condizione di ipoventilazione 50 rispetto a una condizione di iperventilazione. Quando si parla di una ipossia con pO2=50 mmHg si fa riferimento CO2 Pressione parziale alveolare (mmHg) ad una situazione estremamente critica, in cui il paziente 0 deve essere intubato. Si considera una situazione di 1,0 4,0 8,0 Ventilazione alveolare (L/min) ossigenazione sufficiente con una pO2 attorno al 90%, già Ipoventilazione Iperventilazione quando scende sotto questo valore c'è da preoccuparsi. Quindi basta una diminuzione della ventilazione anche poco significativa per avere delle ricadute importanti sulla quantità di ossigeno che è possibile scambiare.

Lo stesso discorso vale in maniera speculare per l'anidride carbonica, che aumenta molto in caso di ipoventilazione.

Questo grafico permette quindi di capire l'importanza di mantenere il sistema in questo range, con il valore di ventilazione alveolare che deve essere almeno di 3 L/min.

I seguenti grafici mettono ancora in relazione la ventiklazione alveolare con la pressione parziale alveolare in mmHg. In questo caso abbiamo una condizione in cui il consumo di ossigeno è 250 mL/min, quindi una situazione di riposo, e una condizione in cui c'è una maggiore neccessità di ossigeno , il cui consumo si attesa sui 1000 mL/min.

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