Lo scambio dei gas nei polmoni e nei tessuti

Le leggi dei gas stabiliscono che un singolo gas si sposta da regioni a maggiore pressione parziale verso regioni a minore pressione parziale. Questa regola governa lo scambio di ossigeno e anidride carbonica a livello polmonare e tissutale. La PO2 alveolare normale è circa 100 mmHg, mentre la PO2 del sangue venoso che raggiunge i polmoni è di 40 mmHg. Di conseguenza, l'ossigeno si muove secondo il proprio gradiente di pressione parziale (concentrazione) dagli alveoli verso i capillari. Il processo di diffusione raggiunge l'equilibrio, e la PO2 nel sangue arterioso che lascia i polmoni è pari a quella negli alveoli, ossia 100 mmHg. Quando il sangue arterioso raggiunge i capillari, il gradiente si inverte. Le cellule impiegano continuamente ossigeno per la fosforilazione ossidativa. In una cellula a riposo la PO2 intracellulare è in media 40 mmHg. Il sangue arterioso che arriva alle cellule ha PO2 di 100 mmHg. Poiché la PO2 è minore nelle cellule, l'ossigeno diffonde secondo il proprio gradiente di pressione parziale dal plasma alle cellule. La diffusione raggiunge nuovamente l'equilibrio, e come risultato il sangue venoso presenta la medesima PO2 delle cellule che ha appena irrorato. Al contrario, la PCO2 è maggiore nei tessuti che nei capillari sistematici a seguito della produzione metabolica di CO2. La PCO2 cellulare in un soggetto a riposo è circa 46 mmHg, a fronte di una PCO2 nel plasma arterioso di 40 mmHg. Il gradiente determina il trasporto netto dell'anidride carbonica dalle cellule nei capillari. La diffusione raggiunge l'equilibrio e il sangue venoso sistematico ha PCO2 media di 46 mmHg. Al livello dei capillari polmonari, il processo si inverte. Il sangue venoso che trasporta CO2 prodotta come catabolita dalle cellule ha PCO2  di 46 mmHg. La PCO2 alveolare è 40 mmHg. Poiché la PCO2 è maggiore nel plasma la CO2 fluisce dai capillari agli alveoli. Quando il sangue ha lasciato gli alveoli, esso ha PCO2 di 40 mmHg, identica alla PCO2 degli alveoli. Se la diffusione dei gas tra gli alveoli e il sangue è significativamente compromessa insorge ipoossia (uno stato in cui l'ossigeno è troppo scarso). L'ipoossia si accompagna frequentemente all'ipercapnia, ossia all'aumento della concentrazione di anidride carbonica.  Comunque, il primo fattore necessario a un adeguato apporto di ossigeno ai tessuti è l'assunzione adeguata di ossigeno dall'atmosfera, rispecchiata dalla PO2 negli alveoli. Se la PO2 alveolare diminuisce si riduce la quantità di ossigeno che diffonde nel sangue dai capillari alveolari. Vi sono due cause possibili di una ridotta PO2 alveolare: (1) l'aria inspirata ha un contenuto di ossigeno abnormemente basso , come nel caso dell'altitudine (infatti la pressione parziale di ossigeno diminuisce proporzionalmente alla pressione atmosferica totale se ci si sposta dal livello del mare) o (2) la ventilazione alveolare è inadeguata. Infatti, in quest'ultimo caso, se la PO2 alveolare è bassa ma la composizione di aria inspirata è normale, la causa sarà un disturbo della ventilazione alveolare. Una bassa ventilazione alveolare è nota come ipoventilazione. I fattori patologici di questa malattia sono una diminuzione della complianza polmonare (fibrosi), l'aumento delle resistenze delle vie aeree (asma) e il sovradosaggio di farmaci (fra cui alcool) che deprimono il sistema nervoso centrale e riducono la frequenza e la profondità degli atti ventilatori. Se, invece, la composizione dell'aria che raggiunge gli alveoli è normale, ma la PO2 del sangue arterioso che lascia i polmoni è bassa, è presente un qualche difetto del processo di scambio di ossigeno tra gli alveoli e sangue, che come sappiamo, avviene attraverso la barriera costituita dalle cellule alveolari di tipo I e dall'endotelio capillare. Le alterazioni patologiche che compromettono questo scambio di gas includono: (1) la diminuzione dell'area della superficie alveolare disponibile per lo scambio gassoso, (2) un aumento dello spessore della membrana alveolare o (3) un aumento della distanza di diffusione tra alveoli e sangue. La riduzione fisica dell'aria della superficie alveolare è drammatica nell'enfisema, una patologia polmonare degenerativa prevalentemente causata dal fumo di sigaretta. L'effetto irritante del fumo sugli alveoli attiva i macrofagi alveolari che rilasciano enzimi proteolitici. Questi enzimi distruggono le fibre elastiche polmonari e inducono apoptosi delle cellule. Il risultato è un polmone con complianza elevata ma ridotto ritorno elastico, con meno alveoli, ma più grandi, e con minor superficie disponibile per lo scambi gassoso. Nella fibrosi polmonare, invece, la disposizione di tessuto cicatriziale aumenta lo spessore della membrana alveolare, quindi la diffusione dei gas è molto più lenta. Invece, nell'edema polmonare, la distanza di diffusione tra gli alveoli e il sangue aumenta, in quanto vi è un eccessivo volume di liquido interstiziale nei polmoni.