Care sunt etapele respirației și de ce fiecare este vitală pentru organism

Redactor specializat
Biochimist, psihoterapeut, formare nutriție și terapii complementare
Studii: Facultatea de Biologie și Masterul în Biochimie.
Alte formări: cursuri acreditate de Lucrător Social, Manager proiect și Antreprenoriat, Hipnoză Clinică, Relaxare și Terapie Ericksoniană.


De regulă, atunci când vorbesc despre etapele respirației, majoritatea oamenilor se referă la inspirație și expirație. În realitate, acestea reprezintă doar fazele ventilației pulmonare. Respirația este un proces mult mai complex, care începe la nivelul căilor respiratorii și al plămânilor, dar se desăvârșește în profunzimea celulelor, unde au loc reacțiile fundamentale ce întrețin viața.

Respirația pulmonară presupune pătrunderea aerului cu oxigen și deplasarea de-a lungul căilor respiratorii în timpul inspirului, până la plămâni unde au loc schimburile de gaze. Alveolele pulmonare sunt structurile care permit trecerea oxigenului în sânge, prin difuzie, în vreme ce dioxidul de carbon, rezultat din arderile celulare, este eliminat, prin expirație. Ventilația pulmonară  constă, deci, în cicluri repetitive de inhalare și exhalare a aerului, printr-un sistem foarte ramificat de tuburi sau căi respiratorii care duc de la cavitățile nazale la alveole.

Respirația celulară, pe de altă parte, este procesul prin care celulele transformă zaharurile în energia necesară pentru funcționarea noastră zilnică. Hrana pe care o consumăm este digerată la nivelul tractului gastrointestinal în molecule de dimensiuni foarte mici, care pot fi transportate de sânge către celule. În interiorul celulei există niște organite, numite mitocondrii, unde legăturile moleculelor sunt rupte și este eliberată energia. Acest proces necesită prezența oxigenului. Dat fiind că fiecare celulă din corp necesită energie, oxigenul este esențial pentru desfășurarea proceselor fundamentale ale vieții.

Pentru a înțelege complexitatea respirației, este necesar să cunoaștem atât etapele ventilației pulmonare, cât și ce se întâmplă la nivel celular.

Care sunt etapele respirației

Avem nevoie de energie pentru toate procesele din organismul nostru, de la contractarea mușchilor pentru mișcare până la activitatea cerebrală. Plantele obțin această energie direct din lumina solară, dar noi nu putem face acest lucru. În schimb, putem utiliza energia stocată în carbohidrații din hrană, pentru a activa toate reacțiile din corpul nostru. Dar acest tip de energie nu poate fi eliberată decât prin descompunerea adecvată a hranei în particule mai mici și ”arderea” ei, ca un combustibil, în prezența oxigenului. Un astfel de proces se întâmplă la nivel celular, de aceea atât carbohidrații, cât și oxigenul sunt esențiale pentru viață.  Dar acest proces subtil este precedat de operațiuni mult mai vaste, precum cele de obținere a oxigenului și descompunere a alimentelor, acțiuni care necesită, de asemenea, o mare cantitate de energie.

Respirația este cea care asigură oxigenul necesar la nivelul celulelor, pentru a întreține arderile ce furnizează energie. Furnizarea aerului către plămâni este doar prima dintre etapele respirației, care se desfășoară, de fapt, în mai multe faze.  În mare, pot fi descrise trei etape respiratorii principale:

  • Etapa pulmonară sau respirația pulmonară, care cuprinde:
    • Ventilația pulmonară
    • Perfuzia pulmonară și difuziunea alveolo-capilară (schimbul de gaze)
  • Etapa sanguină sau funcția respiratorie a sângelui realizează transportul oxigenului spre țesuturi și al dioxidului de carbon spre plămâni.
  • Etapa tisulară sau respirația tisulară reprezintă asigurarea unui aport continuu de oxigen pentru ca celulele să poată realize oxidarea substanțelor nutritive, necesare activității lor.

”Sistemul respirator și cel cardiovascular asigură împreună un aport eficace de oxigen țesuturilor, concomitent cu eliminarea dioxidului de carbon. Aceste aparate joacă un rol important în asigurarea homeostaziei în repaus și în timpul exercițiului fizic, prin menținerea presiunilor parțiale ale gazelor respiratorii și a echilibrului acido-bazic…În fiziologie, termenul de „respirație” poate avea două semnificații:

  • respirația pulmonară sau externă care cuprinde ventilația pulmonară și schimbul de gaze între organism și mediul extern;
  • respirația celulară sau internă care se referă la schimbul gazos periferic și anume utilizarea tisulară de oxigen și producția de dioxid de carbon. Legătura dintre cele două respirații este asigurată de sistemul circulator.”,

arată dr. Ioana Badea și dr. Alin Popescu, în cadrul unui articol publicat în revistagalenus.ro

În cadrul altor materiale, etapele respirației sunt defalcate în cinci procese principale:

  1. Ventilația pulmonară = schimbul între aerul atmosferic și plămâni ( schimbul I );
  2. Difuziunea gazelor respiratorii ( O2 și CO2 ) prin membrana alveolo-capilară = schimbul între aerul alveolar și sânge ( schimbul II);
  3. Transportul sanguin al gazelor respiratorii;
  4. Difuziunea gazelor la nivel tisular = schimbul între sânge și țesut (schimbul III)
  5. Respirația celulară (care se realizează la nivel mitocondrial, prin oxidarea carbohidraților și înmagazinarea energiei rezultate în molecule de adenozintrifosfat sau ATP).

Toate aceste procese sunt interconectate și orice schimbare survenită la nivelul unuia dintre ele determină modificări corespunzătoare ale celorlalte.

Astfel, orice modificare a gazelor din sânge, face ca sistemul pulmonar să se adapteze,  ajustând modelele de respirație pentru a răspunde cererii metabolice a organismului. De exemplu, exercițiul fizic crește consumul de oxigen, precum și producția de dioxid de carbon, iar respirația pulmonară se adaptează, prin creșterea numărului de respirații pe minut, pentru a furniza oxigenul necesar și a elimina dioxidul de carbon în exces. În cazul în care, în orice moment, furnizarea de oxigen nu satisface cererea necesară, metabolismul aerob încetează și producția de energie scade. La fel, dacă dioxidul de carbon se acumulează fără eliminarea corespunzătoare, sângele devine mai acid, provocând daune celulare și ducând, în cele din urmă, la insuficiența organelor. Prin urmare, există numeroase mecanisme care să potrivească etapele respirației pulmonare cu cerințele metabolice în continuă schimbare. De aceea, etapele respirației trebuie privite, mai degrabă, ca un continuum, în care problemele de ventilație pulmonară influențează respirația la nivel tisular, iar modificările la nivelul respirației celulare determină schimbări adaptative în activitatea aparatului respirator.

Etapele ventilației pulmonare

Fiecare ciclu respirator începe cu inspirația și se termină cu expirația. În timpul inspirației, diafragma și mușchii intercostali externi se contractă, provocând mărirea cavității toracice. Ca rezultat, presiunea intra-pleurală scade, la fel și presiunea alveolară, forțând plămânii să se extindă. Presiunea intrapulmonară scade sub nivelul celei atmosferice, iar aerul pătrunde în plămâni.  Pe de altă parte, expirația are loc pasiv, atunci când diafragma se relaxează, datorită proprietăților elastice ale plămânilor.

Ventilația pulmonară are, deci, trei etape:

1. Inspirația care presupune pătrunderea aerului din mediul extern în plămâni printr-o serie de tuburi care formează caile aeriene superioare și inferioare și sunt reprezentate de: cavitatea nazală; faringe; laringe; trahee; bronhii și bronhiole. În timpul inspirației, aerul este filtrat, purificat, încălzit și umidificat, pentru a ușura schimbul de gaze la nivel pulmonar și difuzia sa în sânge, prin alveolele pulmonare.

”Inspirul este un proces activ realizat în primul rând de diafragmă, dar și de mușchii intercostali externi. În timpul inspirului, odată cu contracția diafragmei, aceasta deplasează inferior conținutul abdominal, iar mușchii intercostali externi deplasează anterior sternul și coastele înspre exterior. Toate aceste modificări duc la augmentarea dimensiunilor cutiei toracice, concomitent cu scăderea presiunii din interiorul plămânilor. În repaus, la o presiune atmosferică de 760 mmHg, presiunea intrapulmonară ce permite realizarea inspirului scade cu 3 mmHg, însă în timpul efortului fizic intens, aceasta poate diminua cu 80-100 mmHg. De asemenea, în timpul unei respirații forțate, se pot mobiliza mușchii inspiratori accesori – mușchiul sternocleidomastoidian, mușchii scaleni (anterior, mijlociu, posterior) și mușchii pectorali, cu rolul de a mări dimensiunile cutiei toracice prin deplasarea suplimentară antero-superioară a coastelor.”,  arată dr.Badea și dr.Popescu, în cadrul articolului publicat în revistagalenus.ro

2. Schimbul de gaze care are loc la nivelul ariei respiratorii, reprezentate de ductele alveolare și alveolele pulmonare. La nivel pulmonar schimburile gazelor se realizează datorită difuziunii și presiunilor parțiale ale O2 si ale CO2 în cele doua medii separate de membrana alveolo-capilară: aerul alveolar si sângele din capilarele pulmonare.

Zona respiratorie ”cuprinde bronhiolele respiratorii, ductele alveolare și sacii alveolari. Schimburile gazoase se realizează prin intermediul a 300 de milioane de alveole, saci de mici dimensiuni cu diametrul cuprins între 0,25 și 0,50 mm. Numărul crescut de alveole asigură o suprafață mare pentru schimbul gazos, având o suprafață de 60-80 m2, echivalentul a unei jumătăți de teren de tenis. Colapsul acestora în timpul respirației este împiedicat de surfactant, lichid protector secretat de celulele alveolare de tip II, ce reduce tensiunea superficială la nivel alveolar.”, se subliniază în cadrul articolului menționat mai sus.

În timpul inspirației, fiecare alveolă primește aer conținând un amestec gazos de azot (aproximativ 78%), oxigen (aproximativ 20%) și alte gaze (argon, neon, hidrogen, heliu), printre care și dioxid de carbon (aproximativ 0,04%). Ajuns la nivelul alveolelor pulmonare, oxigenul difuzează prin acestea în sânge (pentru că este o concentrație mare de O2  la nivelul capilarelor alveolare, față de cea sanguină). Doxidul de carbon are un traseu invers, deoarece concentrația sa în sânge este mai mare decât cea din plămâni, în vreme ce azotul difuează în ambele sensuri.

Cu alte cuvinte: inspirăm, concentrații mari de oxigen difuzează din plămâni în sânge, în timp ce concentrații mari de dioxid de carbon difuzează din sânge în plămâni și expirăm.

Conform formaremedicală.ro, o serie de factori contribuie la acest proces:

  • a) suprafața mare de schimb. Astfel, datorită existenței alveolelor pulmonare care au formă de sac, se obține o suprafață pulmonară de aproximativ 70-80 metri pătrați, la adult.
  • b) cale de difuzie foarte scurtă. Din acest motiv, peretele alveolar are o grosime ce permite trecerea rapida a gazelor dintr-o parte în alta.
  • c) existența gradienților de concentrație pentru oxigen și dioxid de carbon.

3. Expirația. La sfârșitul inspirului, prin relaxarea musculaturii inspiratorii (diafragm și muschi intercostali) are loc și reculul fibrelor elastice din pereții alveolari cu expulzia aerului din plămâni. Expirul reprezintă astfel un proces care se realizează cu un consum energetic minim

”Expirul este un proces pasiv în timpul repausului, acesta realizându-se datorită elasticității plămânilor și a cutiei toracice ce tind să revină la poziția inițială anterioară expansiunii inspiratorie. În expirul forțat, intervin mecanisme active, precum contracția mușchilor expiratorii – mușchii intercostali interni, drept abdominal, oblic intern, marele dorsal, pătrat lombar.”, subliniază dr. Badea și dr. Popescu.

Amestecul gazos exhalat conține 4-5% dioxid de carbon, de circa 100 de ori mai mult decât cel inhalat, precum și 13-16% oxigen, 79% azot, precum și argon, monoxid de carbon, hidrogen, amoniu, compuși organici volatili (izopren, acetonă), precum și vapori de apă.

Cum se realizează controlul ventilației pulmonare

 Sistemul de control respirator conduce ciclurile respiratorii și este alcătuit din trei componente: generatorul respirator central, sistemul senzorial de intrare și sistemul efector muscular. Rata și puterea cu care se contractă diafragma, deci frecvența și volumul respirației, depind în mare măsură de tiparul de ardere al celulelor de la nivelul trunchiului cerebral. Sistemul senzorial de intrare, pe de altă parte, trimite semnale către creier pentru a modula tiparele respiratorii în funcție de cererea metabolică. Împreună, aceste procese își propun să optimizeze funcția plămânilor de absorbi  oxigenul din aer și de a expulza dioxidul de carbon din organism.

” Menținerea PO2, a PCO2 și a pH-ului sangvin cât mai aproape de limitele normale în timpul efortului fizic necesită o coordonare perfectă între sistemele cardiovascular și respirator. Aceasta se realizează, în mare măsură, prin reglarea involuntară a ventilației pulmonare. Acest control nu este încă în totalitate elucidat, din cauza complexității legăturilor nervoase implicate. Mușchii respiratori sunt activați prin intermediul motoneuronilor sub controlul centrilor respiratori din trunchiul cerebral (centrul inspirator și expirator din bulbul rahidian), acești centrii dictând ritmul și amplitudinea respiratorie. În același timp, centrii superiori corticali pot prelua controlul voluntar al respirației, aceștia comunicând direct cu motoneuronii mușchilor respiratori. Alte două centre participă la reglarea ventilației – centrul apneustic stimulează centrul inspirator din bulb, permițând prelungirea inspirului, iar centrulpneumotaxic trimite impulsuri inhibitorii cu rolul de a regla volumul inspirator.

Respirația nu se reglează numai sub control nervos. Aceasta poate fi influențată și de chemoreceptorii centrali (din bulb) sau periferici (crosa aortică, sinusurile carotidiene) care sunt sensibili la variațiile gazelor sangvine. De asemenea, mușchii scheletici pot interveni în reglarea ventilației, prin intermediul chemo- și mecanoreceptorilor.”,  se arată în articolul din revistagalenus.ro

Transportul gazos sanguin

La nivelul alveolelor pulmonare, arterele și capilarele pulmonare formează o rețea densă, cu diametrul capilar mic, astfel încât globulele roșii care preiau oxigenul circulă aliniate, ceea ce prelungește timpul de contact cu țesutul pulmonar și crește eficacitatea schimburilor.

Oxigenul este transportat în sânge sub doua forme: 98% legat de hemoglobină și 2% dizolvat în plasmă.Fiecare moleculă de hemoglobină poate lega patru molecule de oxigen, formând oxihemoglobina. Saturația în oxigen a hemoglobinei poate fi influențată de mai mulți factori, precum scăderea pH-ului (efectul Bohr), creșterea temperaturii, creșterea presiunii dioxidului de carbon, creșterea 2,3-bifosfogliceraului duc la  scăderea afinității hemoglobinei pentru oxigen, cu o mai mare capacitate de cedare a O2 la țesuturi. Acest lucru este important pentru realizarea respirației celulare.

În ceea ce privește transportul dioxidului de carbon, acesta este 10% dizolvat în plasmă, care, ajungând la nivel pulmonar este expirat. 20% este legat de hemoglobină, formând carbaminohemoglobina.  În capilarele pulmonare, CO2 este eliberat de hemoglobină și expirat. 70%  se găsește sub formă de ioni bicarbonat, care suferă mai multe reacții, în urma cărora este eliberat CO2 expirat la nivel pulmonar.

Etapele respirației celulare

Respirația celulară reprezintă un set de reacții metabolice și procese care au loc în fiecare celulă din organism, cu scopul de a converti energia chimică din moleculele de oxigen și nutrienți în ATP (adenozintrifosfat) și de a elibera produsele arderii celulare.

Odată ajuns la nivelul celulelor, oxigenul va fi preluat în mediul intracelular. Capacitatea de extragere a oxigenului de către țesuturi este direct proporțională cu intensitatea metabolismului aerob celular. Ulterior, oxigenul este transportat către mitocondrii cu ajutorul mioglobinei, proteină asemănătoare hemoglobinei, dar cu afinitate mai mare pentru O2.

În urma metabolismului oxidativ muscular, se produce CO2, care difuzează în sânge și este transportat la nivel pulmonar.

Reacțiile implicate în respirația celulară sunt reacții catabolice, în urma cărora moleculele se desfac în componente mai mici, eliberând energie. Respirația celulară poate fi descompusă în mai multe etape biochimice, unele fiind reacții de tip redox, care schimbă starea de oxidare a atomilor din diferite molecule. Tehnic, respirația celulară este un proces de combustie, dar se petrece în manieră foarte lentă, energia fiind eliberată în mod controlat printr-o serie de reacții.

Etapele respirației celulare cuprind, în mod simplificat:

1. Glicoliza sau descompunerea zaharurilor (în principal glucozei) în componente mai simple. În prezența oxigenului, glucoza se desface în două molecule de acid piruvic, generând energie care va fi înmagazinată ulterior în două molecule de ATP (un produs fosforilat care stochează energia din organism și o eliberează pentru realizarea principalelor procese, precum contracția muscular, transmiterea nervoasă, sintezele și descompunerile chimice)

2. Decarboxilarea oxidativă a piruvatului. Cele două molecule de piruvat rezultate în urma glicolizei sunt oxidate sub acțiunea unui complex enzimatic, din această reacție rezultând o moleculă nouă (Acetil- Coenzima A) și dioxid de carbon.

3. Ciclul acidului citric sau ciclul Krebs: acesta este un proces foarte complex, în 8 pași, implicând 18 enzime și coenzime, pe parcursul căruia Acetil-Coenzima A rezultată în etapa anterioară este metabolizată, rezultând o serie de produși metabolici. În urma ciclului rezultă două substanțe, NADH (nicotin-adenin dinucleotid) și FADH (flavin adenine dinucleotid), precum și o moleculă de Guanozin Trifosfat (GTP), aceste afiind implicate, mai departe în producerea ATP.

4. Fosforilarea oxidativă are loc la nivelul cristelor mitocondriale și duce la formarea ATP, molecula în care este înmagazinată energia necesară funcționării organismului.

Aceasta este o descriere simplificată a etapelor respirației celulare, dar ne putem face, totuși, o idee legat de incredibila complexitate a acestui proces.

Cum se modifică etapele respirației în timpul activității fizice

În timpul efortului fizic, respirația pulmonară suferă modificări în ceea ce privește frecvența și durata fiecăreia dintre etapele ventilatorii. Astfel:

  • frecvența respiratorie de repaus este de 12-15 respirații/min., dar poate crește în efort de 3 până la 4,5 ori, până la aproximativ 50-60 de respirații/min;
  • volumul curent de aer inspirat(0,5 L în repaus) poate crește în timpul efortului fizic de 6-7 ori, însă nu mai mult decât valoarea capacității vitale
  • ventilația poate crește de la 6-7 L/min până la peste 150 L/min.

Modificările respective au loc în corleație cu schimbarea activității metabolice induse de efortul fizic, care cuprinde cuprinde variații de temperatură și modificări chimice în sectorul sangvin și muscular. Aceste schimbări sunt înregistrate de centrii inspiratori prin intermediul chemoreceptorilor centrali și periferici, având ca rezultat stimularea acestora.

”Reglarea ventilației în timpul efortului fizic reprezintă un proces complex, ce cuprinde nu numai intervenția mecanismelor neurale și chimice, dar și influența hormonilor de stres, a electroliților și a temperaturii asupra centrilor respiratori prin diverse mijloace.”, arată dr. Badea și dr. Popescu.

Surse: