ENERGIA E METABOLISMO

Energia e metabolismo

La respirazione

La liberazione di energia dalle molecole della digestione viene sprigionata tramite la loro ossidazione. Per respirazione si intende:

Quelle reazioni a livello cellulare di cui sono protagonisti i mitocondri

A livello di organismo, l'assunzione di ossigeno e l'espulsione dell'anidride carbonica

Il consumo di ossigeno è direttamente proporzionale al fabbisogno energetico. Questo in stato di riposo viene detto metabolismo basale.

Diffusione e pressione atmosferica

In tutte le cellule lo scambio gassoso avviene per diffusione (spostamento di particelle da un luogo di alta concentrazione a uno di bassa concentrazione). La pressione (=concentrazione) dell'aria al livello del mare è di 1 atm.

Il passaggio di gas è da valutarsi un gas alla volta: è necessario valutare la pressione parziale del gas in n ambiente e nell'altro, poi sappiamo che i due tenderanno a bilanciarsi. un gas può così essere acquistato o ceduto dal sangue a seconda che l'aria circostante (in pressione parziale) ne contenga di più o di meno.

Ambienti con pressioni basse fanno diminuire l'ossigeno nel sangue e possono causare debolezza, al contrario situazioni opposte dove la pressione è molto alta non presentano problemi se non vi sono sbalzi veloci di pressione perché in questo caso si formano emboli (bollicine nel sangue) che possono causare la morte.

Evoluzione degli apparati respiratori

Le molecole possono muoversi solo per spazi inferiori al millimetro per diffusione quindi solo piccolissimi animali possono fare a meno di un sistema respiratorio e circolatorio.

Gli insetti hanno un sistema di tubuli o trachee che portano l'aria direttamente nei tessuti senza un tramite come il sangue. Tuttavia questo sistema è limitato dal fatto che può funzionare solo su animali di piccole dimensioni.

Evoluzione delle branchie

Le branchie inizialmente avevano uno scopo di nutrimento. In seguito si svilupparono come sistema di respirazione. L'acqua viene pompata dalla bocca nelle branchie dove il sangue scorre in verso opposto per rendere più efficace il trasferimento di ossigeno. Alcuni pesci per soddisfare il loro bisogno di ossigeno nuotano con la bocca aperta in continuazione.

Evoluzione dei polmoni

I polmoni sono cavità interne in cui viene pompata l'aria e in cui avviene lo scambio gassoso. Essi sono meno pratici delle branchie ma l'aria è una fonte di ossigeno di gran luna migliore dell'acqua. I polmoni non sono essenziali ma hanno il vantaggio non indifferente di poter essere umidi senza una grande evaporazione dell'acqua. Esistono alcuni animali che affiancano le branchie con dei polmoni ma non sono molto frequenti. Gli anfibi e i rettili hanno polmoni meno sviluppati rispetto ad altri vertebrati ma più sviluppati rispetto ai pesci polmonati. Essi hanno sviluppato la trachea. Gli anfibi respirano anche tramite la pelle, i rettili no.

La respirazione nei polmoni avviene come flusso di massa in seguito alla ventilazione polmonare.

La respirazione in animali di grandi dimensioni: alcuni principi

Nei grandi animali l'ossigeno si muove sia per flusso di massa sia per diffusione. Esso segue i passaggi:

Passaggio dell'ossigeno dal mezzo (aria/acqua) all'epitelio umido con capillari sottili. (Polmoni/branchie)

Movimento per flusso di massa dell'ossigeno dal sangue ai tessuti, diffusione dal sangue ai liquidi interstiziali alle cellule.

L'anidride carbonica segue il percorso inverso.

L'apparato respiratorio Umano

L'aria entra nei polmoni tramite il naso i la bocca. Il condotto che porta ai polmoni è attrezzato per fermare particelle estranee ed eliminarle (il muco). Le cavità riscaldano anche l'aria prima che essa giunga ai polmoni. Dal naso l'aria passa dalla faringe, dalla laringe (dove vi sono le corde vocali). Dopo la laringe l'aria scende nella trachea che è sostenuta da anelli cartilaginei. La trachea finisce nei bronchi che si suddividono fino ai bronchioli. Le particelle estranee e il muco vengono normalmente spinti alla laringe dove vengono riversati nell'esofago per essere digestite.

Gli scambi gassosi avvengono negli alveoli all'estremità dei bronchioli. Ogni alveolo (0,1 - 0,2 mm) è circondato da numerosi capillari. La membrana fra il sangue e l'aria è di soli 0,5 micrometri. Vi sono quasi 300 milioni di alveoli nei polmoni umani fornendo una superficie gigantesca per lo scambio. I polmoni sono circondati da una membrana detta pleure che secerne dei liquidi per favorire lo slittamento dei tessuti esterni ai polmoni durante la dilatazione di questi.

Meccanica respiratoria

A controllare l'inspirazione e l'espirazione sono i muscoli intercostali e il diaframma. Nella respirazione orale solo in 10% dell'aria subisce lo scambio.

Trasporto e scambio di gas

L'emoglobina e la sua funzione

La parte liquida del sangue non potrebbe portare grandi quantità di ossigeno in quanto esso è insolubile nel plasma ma grazie ai pigmenti respiratori la capacità di trasporto è moltiplicata di circa 70 volte. Il pigmento dei vertebrati è l'emoglobina, quello dei molluschi e degli artropodi è l'emocianina (la differenza è l'eme: rame anziché ferro). Un'altra differenza è che nel sangue dei molluschi il pigmento circola liberamente, nei vertebrati invece esso è legato ai globuli rossi. Un globulo rosso trasporta anche 265 milioni di molecole di emoglobina.

L'emoglobina è una molecola con quattro subunità, ciascuna con un eme. L'eme è costituito da un atomo di ferro e un anello porfirinico. Ogni eme trasporta una molecola di ossigeno, quindi una molecola di emoglobina trasporta quattro molecole di ossigeno. Le molecole di ossigeno vengono aggiunte una alla volta. Il fatto che l'ossigeno si leghi o meno all'emoglobina dipende dalla pressione parziale dell'ossigeno nel plasma.

Nei tessuti l'ossigeno passa perché la sua pressione parziale è minore. L'anidride carbonica a differenza dell'ossigeno, è solubile nel plasma, quindi il suo trasporto è più semplice. Tuttavia essa viene trasformata in bicarbonato tramite un legame con l'acqua. in cui si libera uno ione idrogeno. Quindi quando c'è un grande quantità di anidride carbonica che viene riversata nel sangue, aumenta l'acidità di questo e l'emoglobina perde la sua affinità con l'ossigeno. Così dove vi sono parti che stanno lavorando automaticamente viene loro fornito più ossigeno.

La mioglobina e la sua funzione

La mioglobina assomiglia a una subunità dell'emoglobina ed è presente nei muscoli scheletrici, essa ha una maggiore affinità per l'ossigeno quindi lo "ruba" all'emoglobina e lo conserva. Cede l'ossigeno solo quando il muscolo è sotto intenso sforzo fisico è l'ossigeno dell'emoglobina non basta.

Controllo della respirazione

La respirazione è controllata dai neuroni del tronco celebrale che tramite i neuroni motori del midollo fanno contrarre il diaframma e gli altri muscoli coinvolti nella respirazione. Tuttavia per quanto automatica, essa è più controllabile del battito cardiaco.

Il respiro è anche controllato da alcuni recettori posti nell'arteria carotidea che controllano il tasso di ossigeno, ioni idrogeno (e quindi l'acidità), e anidride carbonica (questi ultimi due sono strettamente legati). I sensori sono molto sensibili e fanno variare la respirazione.