17. Sistemul respirator

17.1. Introducere

Respirația constă într-o serie de procese care realizează schimbul de gaze (oxigen și dioxid de carbon) între celulele corpului și mediul extern, procese asigurate de sistemul respirator. În alcătuirea acestuia intră multiple organe implicate în transportul aerului în și din plămâni. Sistemul care transportă oxigen și dioxid de carbon între celulele corpului și sistemul respirator, este sistemul circulator. În alcătuirea sistemului respirator intră un sistem de tuburi ramificate care alcătuiesc căile aeriene. Acestea constituie partea de conducere a sistemului respirator. Terminațiile celor mai mici ramuri ale acestor tuburi se deschid în săculeți cu aer de dimensiuni microscopice, care poartă numele de alveole. Acestea constituie partea respiratorie a sistemului respirator.

De sus în jos, în ordine descendentă, se succed următoarele căi aeriene implicate în transportul aerului în și din alveole:

• cavitățile nazale;
• faringe;
• laringe;
• traheea;
• bronhiile;
• bronhiolele.

Bronhiile, bronhiolele și alveolele sunt organizate în 2 plămâni pereche, delimitați de o membrană dublă (prezintă două foițe). Alveolele prezintă membrane subțiri, acoperite de rețeaua capilară extinsă a circulației pulmonare. Alveolele pun la dispoziție o mare suprafață de schimb la nivelul căreia se realizează schimbul de gaze. Din arterele pulmonare, sângele sărac în oxigen și bogat în dioxid de carbon, pătrunde în plămâni. Prin venele pulmonare însă, sângele bogat în oxigen și sărac în dioxid de carbon, părăsește plămânii. Difuziunea este procesul care permite schimbul de gaze finalizat cu înlocuirea dioxidului de carbon din sânge cu oxigenul din alveole.

17.2. Anatomia sistemului respirator

Organele sistemului respirator sunt:

• cavitatea nazală;
• sinusurile;
• laringele;
• traheea;
• arborele bronșic;
• plămânii.

Nasul și cavitățile nazale

Nasul – constituie calea pe care aerul intră în mod normal în sistemul respirator. Alternativ, aerul poate pătrunde și pe calea cavității bucale. Acest lucru este favorizat de intersecția în zona posterioară a cavității orale, dintre cavitatea nazală și gură. Această zonă este de fapt o cale comună sistemelor respirator și digestiv, care poartă numele de faringe.

Nasul prezintă două porțiuni:

• porțiunea externă – alcătuită din cartilaj și piele;
• porțiunea internă – cavitățile nazale, care sunt tapetate cu o mucoasă nazală. Deschiderile lor către mediul extern se numesc nări (narine externe).

Cavitatea nazală este împărțită median de către septul nazal. Mai departe, intervin anumite extensii de natură osoasă, denumite cornete nazale: inferioare, mijlocii și superioare care subîmpart cavitatea nazală în căi aeriene (meaturi: inferior, mijlociu, superior). Totodată, la nivelul cavităților nazale, anumite spații goale (denumite sinusuri) se deschid și a căror extindere se orientează către oasele craniului: osul frontal, sfenoid, etmoid și maxilar. Prezența acestor sinusuri reduce greutatea craniului și totodată funcționează drept camere de rezonanță și spații de condiționare a aerului. Sinusurile sunt căptușite de o mucoasă care reprezintă de fapt continuarea celei de la nivelul cavității nazale. Atât cornetele nazale, cât și sinusurile reprezintă zone în care are loc încălzirea aerului și scăderea vitezei acestuia. În acest fel particulele inspirate pot precipita și declanșa senzații olfactive. În acest fel, cavitatea nazală se asociază cu simțul olfactiv (simțul mirosului).

Sinusurile nazale sunt pereche, deci în total vor fi 8.

Pe imagine se observă bolta palatină sau palatul dur.

Peretele superior al cavității nazale, prezintă o zonă a mucoasei nazale care constituie regiunea olfactivă. Celulele de la acest nivel sunt implicate în depistarea variatelor tipuri de molecule și pe calea nervilor olfactivi (perechea I), informează encefalul prin transmiterea de impulsuri nervoase, care vor fi interpretate de acesta ca mirosuri.

Pătrunderea aerului printre cornetele nazale se face prin vestibul, care reprezintă porțiunea anterioară a cavității nazale. În continuare, aerul ajunge în nazofaringe prin 3 orificii, denumite meaturi: superior, mijlociu, inferior.

Nasul prezintă adaptări care asigură:

• încălzirea aerului rece – prin prezența vaselor de sânge din mucoasa nazală;
• umidificarea aerului uscat – prin prezența mucusului secretat de către mucoasa nazală;
• filtrarea aerului – prin mucus, care intervine și în captarea particulelor fine de praf și microorganismele; odată contaminat, mucusul este transportat pe calea celulelor ciliate ale mucoasei nazale, la nivelul faringelui, după care este înghițit.

Rinita – constituie inflamația mucoasei nazale. Dacă este de natură alergică localizată în fosele nazale, atunci se numește rinită alergică. Factori determinanți:    

• polen – o formă de rinită cauzată de un astfel de alergen, se numește febra fânului;
• pene;
• acarieni;
• păr de animale.

Faringele

Faringele (denumit și gâtlej) – reprezintă un organ cuprins între cavitățile nazale și laringe, constituind totodată un pasaj comun sistemelor digestiv și respirator. Faringele se împarte în 3 porțiuni:

• nazofaringe – deasupra vălului palatin (palatul moale), zona imediat posterioară cavităților nazale;
• orofaringe – posterior cavității orale, zona inferioară nazofaringelui; reprezintă zona de intersecție dintre căile digestive și respiratorii;
• laringofaringe – zona inferioară orofaringelui și posterioară laringelui.

La nivelul pereților laterali ai nazofaringelui, se deschid cele două trompe ale lui Eustachio care încep de la urechea medie și care intervin în egalizarea presiunii aerului în segmentul cuprins între nazofaringe și urechea medie. Din nazofaringe pot ajunge în trompa lui Eustachio microorganisme responsabile de instalarea a numeroase infecții ale urechii medii.

În zona medială a peretelui posterior al nazofaringelui, se remarcă amigdala faringiană (masă de țesut limfatic). Aceasta produce limfocite potrivite care vor acționa asupra agenților infecțioși captați din aer, protejând astfel sistemul respirator. Tumefierea (umflarea) amigdalei faringiene îi atribuie denumirea de vegetații adenoide, care pot bloca pasajul aerului.

În spatele gurii, în porțiunea laterală a faringelui (orofaringe) se întâlnesc amigdale palatine (tot mase de țesut limfatic, dar de formă ovală), cu funcție identică amigdalelor faringiene. Apariția unei inflamații la nivelul amigdalelor palatine se numește amigdalită.

Coanele nazale sunt căi de legătură între cavitatea nazală și nazofaringe.   

Capătul distal al faringelui se ramifică în:

• esofag – în continuarea căruia urmează stomacul; esofagul se află în spatele traheei;
• laringe – în continuarea căruia urmează traheea.

Laringele

Laringele – reprezintă o structură de natură cartilaginoasă care în zona vertebrelor cervicale, face legătura între faringe și trahee. Laringele poate fi descris ca o extindere a traheei în partea superioară a acesteia.

Țesutul conjunctiv din alcătuirea laringelui prezintă 11 structuri cartilaginoase dispuse asemănător unei cutii, printre care se numără:

• cartilajul tiroid – este cel mai mare, denumit și „mărul lui Adam”, se observă în partea anterioară (ventrală) a gâtului; la bărbați este mai pronunțat comparativ cu femeile;
• cartilajul cricoid – asemănător unui inel cu pecete, face legătura între laringe și trahee;
• cartilajul epiglotic (epiglota) – constituie un pliu asemănător unui capac cu formă de frunză, dispus în zona de intrare în laringe; la trecerea alimentelor sau lichidelor în esofag, epiglota are rolul de a obtura căile respiratorii (se închide peste laringe în cursul deglutiției). Glota reprezintă deschiderea către laringe.    

Pe lângă zonă de pasaj pentru aer, laringele este implicat și în producția sunetelor. Astfel, de la nivelul pereților laterali ai acestuia iau naștere două seturi de cute/ pliuri/ falduri de țesut membranos gros în interiorul laringelui, denumite corzi vocale. În expir, când aerul este expulzat din plămâni, acestea vibrează și produc sunete, care cu ajutorul mușchilor gâtului, buzelor, limbii și obrajilor, se transformă în cuvinte. Tonalitatea depinde de lungimea corzilor vocale, motiv pentru care tonalitatea mai ridicată se observă la copii și femei, la care corzile vocale sunt mai scurte.

Traheea, bronhiile și bronhiolele

Traheea reprezintă o continuare a laringelui sub formă de tub semirigid pe care îl leagă de arborele bronșic. Dispusă pe linia mediană a gâtului, traheea se întinde pe o lungime de circa 10-12 cm. Susținerea ei, precum și faptul că se menține constant deschisă, sunt asigurate de anumite inele în forma literei „C” de natură cartilaginoasă, dispuse unul peste celălalt și care în partea posterioară sunt deschise. Inelele cartilaginoase vecine și capetele acestora sunt separate de țesut conjunctiv și muscular neted.

Traheea prezintă următoarele roluri:

• constituie o cale de trecere pentru aer (intrarea și ieșirea sa);
• filtrează aerul – prin mucoasa care tapetează traheea; aceasta prezintă celule ciliate care vor filtra aerul înainte de pătrunderea lui în plămâni; particulele imobilizate în mucus sunt împinse spre faringe cu scopul de a fi înghițite.

Ramificațiile terminale ale traheei sunt în număr de două și se numesc bronhii primare/ principale: stângă și dreaptă. Acestea au structură similară traheei. Față de bronhia stângă, cea dreaptă este mai largă și prezintă o poziție mai verticală.

Proporțional cu diviziunea lor la nivelul plămânilor, diametrul bronhiilor se reduce semnificativ, ajungând până la circa 1 mm, unde sunt lipsite de cartilaj și se transformă în bronhiole. În alcătuirea peretelui acestora intră țesut muscular neted susținut de țesut conjunctiv. Bronhiolele sunt înconjurate de benzi de mușchi netezi. Bronhiolele continuă să se ramifice până al stadiul de bronhiole terminale, care reprezintă conductele aeriene cele mai mici. În continuare lor se află bronhiolele respiratorii a căror deschidere se face în alveole.

Arborele bronșic reprezintă un sistem de căi de transport ramificate la nivelul plămânilor alcătuit din ramificațiile:

• traheei;
• bronhiilor;
• bronhiolelor.

Rolurile arborelui bronșic sunt de a conduce aerul de la trahee la alveole și totodată de a-l filtra, datorită mucoasei care-l căptușește.

Prin inflamarea arborelui bronșic se instalează afecțiunea denumită bronșită. Arborele bronșic poate fi afectat și de astm, care se traduce prin episoade de respirație îngreunată și șuierătoare („wheezing”) la anumite perioade. Cauza o reprezintă în general alergenii din mediul înconjurător care declanșează spasmul mușchilor netezi ai arborelui bronșic.

Plămânii

Cea mai mare parte a cavității toracice este ocupată de organe pereche, denumite plămâni, în alcătuirea cărora intră milioane de săculeți – alveole (aprox. 300 de milioane/ plămân la un adult). Acestea prezintă o membrană respiratorie foarte subțire care permite pasajul gazelor prin difuziune. Alveolele reprezintă unitatea funcțională de bază a plămânului. Alveolele sunt înconjurate de o rețea capilară la nivelul căreia se face schimbul de gaze. Sângele este adus la alveole printr-o ramură a arterei pulmonare și după schimbul de gaze, este transportat printr-o ramură a venei pulmonare către partea stângă a inimii.

Plămânii cuprind căile aeriene, alveolele, vasele de sânge și alte țesuturi ale tractului respirator inferior.

Zona mediană a cavității toracice (mediastin) care adăpostește inima, timusul, o parte din esofag și numeroase vase de sânge, susținute prin intermediul țesutului conjunctiv, separă cei 2 plămâni.

Plămânii sunt organe moi. Caracterul lor elastic, buretos (spongios) se datorează alveolelor. Plămânii sunt în formă de con și se împart în lobi: cel drept prezintă 3 (superior, median, inferior), iar cel stâng 2 (superior, inferior). Fiecare lob este divizat în lobuli mai mici, iar fiecărui lobul îi corespunde o bronhiolă.

Membrana dublu stratificată care înconjoară fiecare plămân se numește pleură. Stratul intern al acesteia care aderă de plămâni și pătrunde în fisurile dintre lobi, se numește pleură viscerală. Stratul extern care tapetează interiorul cavității toracice, se numește pleură parietală. Într-o porțiune în care bronhiile primare, vasele de sânge și nervii intră în plămâni, pleura viscerală și parietală se află una în continuarea celeilalte, formând un așa numit „sac dezumflat”. Zona din interior a acestuia poartă numele de cavitate pleurală, la nivelul căreia se află un lichid responsabil de menținerea în contact strâns a celor două foițe și totodată de alunecarea cu ușurință a acestora.

17.3. Fiziologia respirației

Respirația reprezintă un mecanism fiziologic compus din:

• ventilație și
• schimb gazos.

Mecanismul ventilației pulmonare

Intrarea și ieșirea aerului din alveole este un proces care poartă numele de ventilație. Principiul de bază al acesteia presupune deplasarea aerului dintr-o zonă cu presiune mare (densitate crescută) spre o zonă cu presiune joasă (densitate scăzută). Cu alte cuvinte, intrarea aerului în plămâni este permisă doar când presiunea atmosferică o depășește pe cea din alveole, iar ieșirea sa este permisă doar când presiunea atmosferică este depășită de cea din alveole.

Activitatea anumitor mușchi scheletici denumiți mușchi respiratori aflați sub controlul unor stimuli transmiși pe calea nervului frenic, generează modificările de presiune la nivel pulmonar. Totodată, în generarea modificărilor de presiune intervine și dispunerea anatomică a pleurei viscerale, imediat lângă cea parietală. Schimbările de presiune sunt dependente de:

• elasticitatea plămânilor;
• relația anatomică pleură - plămâni;
• spațiul toracic închis care adăpostește plămânii.

Inspirația este acea parte din procesul de ventilație prin care aerul este adus în plămâni prin creșterea volumului cavității toracice, ca urmare a unor contracții musculare simultane. Astfel, în cursul inspirației, numeroase seturi de mușchi aflați între coaste (mușchi intercostali externi) se contractă, ridicând coastele în sus și înspre exterior. Totodată, are loc contracția diafragmei care urmează o deplasare în jos. În inspirul forțat, mușchii intercostali sunt cel mai des implicați, pe când contracția diafragmei are loc în inspirul forțat și normal. Odată cu creșterea volumului cuștii toracice, elasticitatea plămânilor le permite acestora să se destindă și să umple cavitatea toracică, urmând expansiunea toracică.

Prin expansiunea plămânilor se înregistrează o creștere a volumului căilor aeriene și a alveolelor și care implicit scade presiunea de la acest nivel. Astfel, se creează condițiile necesare pătrunderii libere a aerului atmosferic în alveolele pulmonare. După umplerea plămânilor cu aer, se desfășoară schimburile de gaze dintre alveole și sânge.

Ulterior, are loc expirația, parte din procesul de ventilație prin care aerul este scos din plămâni, prin scăderea volumului cavității toracice. Astfel, în cursul expirației, mușchii respiratori: mușchii intercostali externi și diafragma, se relaxează și scad volumul cutiei toracice care își recapătă forma inițială. În acest fel, plămânii sunt comprimați și volumul lor scade, crescând presiunea aerului din interiorul lor. Se creează condițiile necesare ieșirii aerului alveolar în atmosferă prin căile aeriene.

Prin expir, plămânii sunt goliți parțial de aer. Expirul este un proces pasiv, în care controlul poate fi făcut de către organism, însă nu într-o proporție atât de mare cum poate fi inspirația.

Volumele pulmonare

Volum curent – volumul de aer vehiculat în interiorul și în exteriorul plămânilor, în condiții de repaus sau în cursul respirației normale – aprox. 500 mL.

Volum rezidual – volumul de aer care rămâne în interiorul plămânilor după un expir forțat –  aprox. 1000 mL.

După un expir normal, în plămâni rămân aprox. 2500 mL (adică aprox. 1000 mL volum rezidual + aprox. 1500 mL volum expirator de rezervă).

Peste volumul curent (aprox. 500 mL) din cursul unui inspir normal, în urma unui inspir forțat în plămâni mai poate fi introdus un volum suplimentar de aprox. 2500-3500 mL.

Capacitatea vitală pulmonară – volumul maxim de aer care poate fi vehiculat (schimbat) la nivel pulmonar (volum curent + volum inspirator de rezervă + volum expirator de rezervă). Capacitatea vitală constă în efectuarea unui inspir și unui expir forțate. Astfel, capacitatea vitală implică un efort muscular intens pentru care umplerea plămânilor la capacitate maximă nu poate fi menținută pe o perioadă lungă de timp.

Controlul respirației

Stimuli nervoși controlează contracția mușchilor respiratori care la rândul lor controlează respirația. Centrul de control respirator este reprezentat de o anumită zonă a encefalului (trunchi cerebral - anumite părți din bulb și punte), principala responsabilă de activitatea mușchilor respiratori. Din centrul de control sunt implicate:

• două grupuri neuronale – responsabile de controlul ritmului (frecvența) respirației și amplitudinea mișcărilor din cursul respirației forțate;
• o altă zonă, zona pneumotaxică – și aceasta responsabilă de reglarea frecvenței și amplitudinii respirației.

Nivelul de dioxid de carbon din torentul sanguin este monitorizat pe cale indirectă de către centrii respiratori din trunchiul cerebral. Acest gaz rezultă în urma proceselor respiratorii celulare, care dacă sunt intensificate duc la creșterea concentrației sale în sângele arterial. De la acest nivel, dioxidul de carbon poate difuza în lichidul cefalorahidian (LCR), determinând implicit și o creștere a concentrației de ioni de hidrogen (a acidității) în lichid. Această variație ajunge pe calea lichidul cefalorahidian la nivelul centrului respirator, care este astfel activat de o concentrație crescută de ioni de hidrogen și zona pneumotaxică transmite impulsuri nervoase mușchilor respiratori. Impulsurile sunt cele care duc la creșterea frecvenței și a amplitudinii respirației. Concomitent cu expirul dioxidului de carbon din plămâni, scade și concentrația ionilor de hidrogen din sânge care va determina și scăderea celei din lichidul cefalorahidian, cu inhibarea activării centrului respirator.

Sistemul respirator mai dispune de alți receptori de natură chimică (chemoreceptori) dispuși în arterele carotide – corpuscul carotidian și în arcul aortic – corpusculi aortici, care urmăresc concentrația de oxigen dizolvat în sânge. Un conținut scăzut în oxigen constituie un stimul pentru chemoreceptori să transmită impulsuri către centrul de control respirator pentru creșterea frecvenței și amplitudinii respirației.

Controlul respirator efectuat prin activitatea centrului respirator și a chemoreceptorilor implică mecanisme involuntare. Acestea pot fi anulate parțial de impulsurile nervoase eliberate de cortexul cerebral către centrul de control respirator. În timpul înotului sau a altor activități, respirația poate fi oprită printr-un control voluntar. Acest lucru nu poate avea loc pe o perioadă lungă de timp, deoarece concentrațiile de dioxid de carbon și a ionilor de hidrogen cresc în lichidele corpului, activând centrul respirator care eliberează impulsuri ce depășesc stoparea voluntară a respirației. Imediat trebuie să reluăm inspirația.

Hiperventilația reprezintă respirația profundă și rapidă.

Schimbul de gaze

Transportul oxigenului și al dioxidului de carbon la și de la plămâni se face prin mecanisme care prezintă mici diferențe.

Transportul oxigenului în sânge se face astfel:

• aprox. 2% din oxigen este dizolvat în plasmă sau în citoplasma eritrocitelor;
• restul de 98% din oxigen este legat de moleculele de hemoglobină din eritrocite – oxihemoglobină. O moleculă de hemoglobină leagă facil 4 molecule de oxigen.

Transportul dioxidului de carbon în sânge se face astfel:

• aprox. 7% din dioxidul de carbon este dizolvat în plasmă și în citoplasma eritrocitelor (ca dioxid de carbon);
• aprox. 93% se răspândește în eritrocitele din sânge.

Din procentul de 93% răspândit în eritrocite, dioxidul de carbon se distribuie astfel:

• aprox. 25-30% din dioxidul de carbon este legat (într-un loc diferit de locul de legare al oxigenului) de moleculele de hemoglobină din eritrocite care au cedat în prealabil oxigenul în țesuturi – carbaminohemoglobină;
• aprox. 70-75% din dioxidul de carbon este transportat sub formă de ioni de bicarbonat (HCO₃^-) în eritrocite.
  

3 mecanisme diferite asigură transportul dioxidului de carbon în sânge: 

• ca dioxid de carbon dizolvat;
• sub formă de carbaminohemoglobină;
• sub formă de bicarbonat de sodiu.

Completare: Pe imaginea de mai jos (Figura 17.8) se observă cum transferul de clor are loc în capilarele periferice. În capilarele pulmonare are loc mecanismul opus transferului de clor prin care ionii de clor ies din eritrocit, iar ionii de bicarbonat pătrund în eritrocit.

În alveole, procesul pasiv care permite realizarea schimbului de oxigen din aer cu dioxidul de carbon din sânge, este difuziunea. Aceasta presupune deplasarea fără consum de energie a moleculelor din zona în care sunt în concentrație crescută, către o zonă cu concentrație scăzută.

Pe suprafața sacului alveolar se află capilare microscopice prin care circulă eritrocitele. Oxigenul ajuns în sacul alveolar va traversa membrana respiratorie prin difuziune și va ajunge în plasmă, după care pătrunde la interiorul eritrocitului, se leagă cu ușurință de hemoglobină, formă în care va fi transportat celulelor. Direcția difuziunii oxigenului este justificată de deficitul în oxigen al eritrocitelor, comparativ cu aerul alveolar bogat în oxigen.

Secundar trecerii moleculelor de oxigen din sacul alveolar în eritrocite, are loc convertirea ionilor de bicarbonat în molecule de dioxid de carbon, care vor difuza din eritrocite în sacul alveolar. În acest caz direcția difuziunii este justificată de eritrocitele bogate în dioxid de carbon comparativ cu aerul alveolar sărac în dioxid de carbon.

La finalul schimbului de gaze dintre sânge și aer, eritrocitele pleacă din zona sacilor alveolari. Capilarele pulmonare se unesc și formează venulele pulmonare, care se unesc la rândul lor și formează venele pulmonare, responsabile de transportul sângelui înapoi către inimă. Mai precis, acestea se deschid în partea stângă a inimii, în atriul stâng, după care, ventriculul stâng va pompa sângele bogat în oxigen către toate țesuturile corpului. La acest nivel, oxigenul este cedat prin mecanisme opuse celor desfășurate în alveole și este preluat dioxidul de carbon. Oxigenul este necesar în metabolismul celular pentru eliberarea de energie și sinteză de ATP.