Scambio di gas
Lo scambio di gas è il processo attraverso il quale l’ossigeno e l’anidride carbonica si muovono tra il flusso sanguigno e i polmoni. Questa è la funzione primaria del sistema respiratorio ed è essenziale per garantire un costante apporto di ossigeno ai tessuti, così come la rimozione dell’anidride carbonica per prevenire il suo accumulo.
Questo articolo discuterà i principi dello scambio di gas, i fattori che influenzano il tasso di scambio e le condizioni cliniche rilevanti.
Fisica della diffusione dei gas
Il movimento dei gas in uno spazio contenuto (in questo caso, i polmoni) è casuale, ma la diffusione globale si traduce in un movimento dalle zone di alta concentrazione a quelle di bassa concentrazione. La velocità di diffusione di un gas è influenzata principalmente dal
- grado di concentrazione: Maggiore è il gradiente, più veloce è la velocità.
- Area superficiale di diffusione: Maggiore è la superficie, più veloce è il tasso.
- Lunghezza della via di diffusione: Maggiore è la lunghezza del percorso, più lento è il tasso.
La collisione delle molecole di gas con le pareti del contenitore provoca una pressione. Questo è definito dalla legge dei gas ideali, data dalla seguente equazione:
(n rappresenta il numero di moli, R la costante dei gas (8.314), T la temperatura assoluta e V il volume del contenitore)
Fig 1 – Equazione per calcolare la pressione di un gas in un contenitoreDiffusione dei gas attraverso i gas
Quando i gas diffondono attraverso altri gas (come negli alveoli), la loro velocità di diffusione può essere definita dalla legge di Graham:
“La velocità di diffusione è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molare a pressione e temperatura identiche”
In altre parole, più piccola è la massa di un gas, più rapidamente si diffonde.
Diffusione dei gas attraverso i liquidi
Quando i gas si diffondono attraverso i liquidi, per esempio attraverso la membrana alveolare e nel sangue capillare, la solubilità dei gas è importante. Più un gas è solubile, più velocemente si diffonderà.
La solubilità di un gas è definita dalla legge di Henry, che afferma che:
“La quantità di gas dissolto in un liquido è proporzionale alla sua pressione parziale sopra il liquido”.
Se assumiamo che le condizioni di temperatura e pressione per tutti i gas rimangano fisse (come approssimativamente fanno negli alveoli) allora sono le differenze intrinseche tra i diversi gas a determinare la loro solubilità.
L’anidride carbonica è intrinsecamente più solubile dell’ossigeno, e quindi si diffonde molto più velocemente dell’ossigeno nel liquido.
La legge di Fick
La legge di Fick ci dà una serie di fattori che influenzano la velocità di diffusione di un gas attraverso un fluido:
- La differenza di pressione parziale attraverso la barriera di diffusione.
- La solubilità del gas.
- L’area della sezione trasversale del fluido.
- La distanza che le molecole devono percorrere per diffondere.
- Il peso molecolare del gas.
- La temperatura del fluido – non importante all’interno dei polmoni e può essere assunta come 37oC.
Nei polmoni, mentre l’ossigeno è più piccolo dell’anidride carbonica, la differenza di solubilità significa che l’anidride carbonica si diffonde circa 20 volte più velocemente dell’ossigeno.
Questa differenza tra la velocità di diffusione delle singole molecole è compensata dalla grande differenza di pressione parziale dell’ossigeno, che crea un gradiente di diffusione più grande di quello dell’anidride carbonica.
Tuttavia, questo significa che negli stati patologici che compromettono la capacità dei polmoni di ventilare adeguatamente con l’ossigeno, lo scambio di ossigeno è spesso compromesso prima di quello di anidride carbonica.
Diffusione dell’ossigeno
La pressione parziale dell’ossigeno è bassa negli alveoli rispetto all’ambiente esterno. Ciò è dovuto alla continua diffusione dell’ossigeno attraverso la membrana alveolare e all’effetto diluente dell’anidride carbonica che entra negli alveoli per lasciare il corpo.
Nonostante ciò, la pressione parziale è ancora più alta negli alveoli che nei capillari, con conseguente diffusione netta nel sangue. Una volta diffusa attraverso le membrane alveolari e capillari, si combina con l’emoglobina. Questo forma l’ossiemoglobina che trasporta l’ossigeno ai tessuti in respirazione attraverso il flusso sanguigno.
Ulteriori informazioni sul trasporto dell’ossigeno nel sangue possono essere trovate qui.
Durante l’esercizio, il sangue trascorre fino alla metà del tempo normale (un secondo a riposo) nei capillari polmonari a causa dell’aumento della portata cardiaca che sposta il sangue nel corpo più rapidamente. Tuttavia, la diffusione dell’ossigeno è completa entro mezzo secondo dall’arrivo del globulo nel capillare, il che significa che l’esercizio non è limitato dallo scambio di gas.
Fig 2 – Diagramma che mostra le pressioni parziali di ossigeno e anidride carbonica nel sistema respiratorioDiffusione di anidride carbonica
La pressione parziale dell’anidride carbonica nei capillari è molto più alta di quella negli alveoli. Ciò significa che la diffusione netta avviene negli alveoli dai capillari. L’anidride carbonica può quindi essere espirata perché la pressione parziale negli alveoli è anche più alta della pressione parziale nell’ambiente esterno.
L’anidride carbonica è trasportata nel sangue in diversi modi, tra cui disciolta, associata alle proteine e come ioni bicarbonato. Ulteriori informazioni sul trasporto di anidride carbonica nel sangue possono essere trovate qui.
Barriera di diffusione
La barriera di diffusione nei polmoni consiste dei seguenti strati:
- Epitelio alveolare
- Tessuto fluido
- Endotelio capillare
- Plasma
- Membrana dei globuli rossi
Fig 3 – Diagramma che mostra gli strati che compongono la barriera di diffusione nei polmoniFattori che influenzano la velocità di diffusione
Ci sono molte proprietà che possono influenzare la velocità di diffusione nei polmoni. I fattori principali includono:
- Spessore della membrana – più sottile è la membrana, più veloce è la velocità di diffusione. La barriera di diffusione nei polmoni è estremamente sottile, tuttavia alcune condizioni causano un ispessimento della barriera, ostacolando così la diffusione. Gli esempi includono:
- Fluido nello spazio interstiziale (edema polmonare).
- Inspessimento della membrana alveolare (fibrosi polmonare).
- Superficie della membrana – maggiore è la superficie, più veloce è la velocità di diffusione. I polmoni hanno normalmente una superficie molto grande per lo scambio di gas grazie agli alveoli.
- Malattie come l’enfisema portano alla distruzione dell’architettura alveolare, portando alla formazione di grandi spazi pieni d’aria conosciuti come bolle. Questo riduce la superficie disponibile e rallenta il tasso di scambio dei gas.
- Differenza di pressione attraverso la membrana
- Coefficiente di diffusione del gas
Rilevanza clinica – Enfisema
L’enfisema è una malattia cronica e progressiva che porta alla distruzione degli alveoli nei polmoni. Questo si traduce in una superficie molto ridotta per lo scambio di gas nei polmoni, che tipicamente porta all’ipossia (insufficienza respiratoria di tipo 1).
Il sintomo principale dell’enfisema è la mancanza di respiro, tuttavia i pazienti possono anche avere respiro sibilante, tosse persistente o oppressione al petto. L’enfisema, insieme alla bronchite cronica, sono le condizioni che compongono la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Mentre il fumo è la causa più comune, altri fattori di rischio includono l’esposizione al fumo passivo, l’esposizione a fumi o polveri professionali e il vivere in aree con alti livelli di inquinamento.
Il trattamento dipende dallo stadio della condizione (cioè il grado dei sintomi e l’ostruzione delle vie aeree) ma tipicamente include:
- La cessazione del fumo.
- Broncodilatatori per ridurre la costrizione bronchiale.
- Corticosteroidi inalati per ridurre l’infiammazione delle vie aeree.
- Antibiotici e steroidi orali per le esacerbazioni della malattia.
- Ossigenoterapia a lungo termine (LTOT) nella malattia progressiva grave.
Fig 4 – Polmoni enfisematosi