UKŁAD ODDECHOWY

Oddychanie jest terminem określającym dwa procesy:

• oddychanie zewnętrzne polegające na pobieraniu tlenu i usuwaniu dwutlenku węgla z całego organizmu,

• oddychanie wewnętrzne polega na wykorzystywaniu tlenu, wytwarzaniu CO2 przez komórki oraz wymianie tych gazów między komórkami a płynem zewnątrzkomórkowym.

Układ oddechowy składa się z narządu, w którym odbywa się wymiana gazowa - płuc, oraz pompy, która wentyluje płuca. Pompę tworzą:

• klatka piersiowa,

• mięśnie oddechowe zwiększające i zmniejszające objętość klatki piersiowej,

• ośrodek nerwowy kontrolujący oddychanie,

• drogi nerwowe przewodzące informacje z ośrodka nerwowego do mięśni.

MECHANIKA ODDYCHANIA

Płuca i klatka piersiowa są strukturami elastycznymi. Płuca pokryte sa opłucną płucną, a klatkę piersiową wyściela od wewnątrz opłucna ścienna. Pomiędzy tymi błonami znajduje się niewielka ilość płynu, który zapobiega oderwaniu się tych błon od siebie (podobnie jak trudno oderwać dwa szkiełka połączone wodą).

Wdech jest procesem aktywnym, wymagającym aktywności mięśni wdechowych. Skurcz tych mięśni zwiększa objętość klatki piersiowej. Płuca ulegają rozciągnięciu, spada w nich ciśnienie i powietrze zostaje zassane do dróg oddechowych.

Wydech podczas spokojnego oddychania jest aktem biernym, który nie wymaga aktywności mięśni wydechowych. W końcowej fazie wdechu siła sprężystości płuc prowadzi do ich obkurczania i klatka piersiowa powraca do pozycji wydechowej. Ciśnienie w drogach oddechowych staje się dodatnie i powietrze zostaje usunięte z płuc.

POJEMNOŚCI PŁUC

Objętość - ilość powietrza, która stanowi pewną niepodzielną z fizjologicznego punktu widzenia całość.

Pojemność - objętość złożona, która składa się z większej liczby objętości.

• objętość oddechowa (TV) - ilość powietrza napływająca do płuc podczas każdego wdechu (lub wypływająca z płuc z każdym wydechem).

• objętość zapasowa wdechowa (IRV) - największa ilość powietrza, która może być wciągnięta do płuc podczas maksymalnego wdechu od szczytu spokojnego wdechu.

• objętość zapasowa wydechowa (ERV) - największa ilość powietrza, która może być usunięta z płuc podczas maksymalnego wydechu od szczytu spokojnego wydechu.

• objętość zalegająca (RV) - ilość powietrza zalegającego w płucach po maksymalnym wydechu.

• pojemność życiowa płuc (VC) - największa ilość powietrza jaką można usunąć z płuc po maksymalnym wdechu.

• całkowita pojemność płuc (TLC) - ilość powietrza pozostająca w płucach na szczycie maksymalnego wdechu.

Pomiar pojemności życiowej jest często stosowany jako wskaźnik siły mięśni oddechowych i innych przejawów czynności płuc. Dodatkowych informacji dostarcza badanie ilości powietrza wydychanej w pierwszej sekundzie natężonego i maksymalnie szybkiego wydechu - FEV. Wskaźnik ten jest wyrażony w procentach natężonej pojemności życiowej płuc (FVC) i oznacza się symbolem FEV₁%. W prawidłowych warunkach wynosi on ok.80% FVC lub więcej. Natężoną objętość wydechową pierwszosekundową wyznacza się w próbie Tiffeneau, która polega na wykonaniu max wdechu, a następnie jak najszybszego wydechu przez ustnik spirometru. W próbie tej ocenia się opór dróg oddechowych. Obniżenie FEV₁% obserwuje się w chorobach obturacyjnych płuc (przebiegających ze zwężeniem dróg oddechowych). Pojemność życiowa płuc wówczas nie ulega zmniejszeniu. Odmienne wyniki badania spirometrycznego uzyskamy w restrykcyjnych chorobach płuc, w których dochodzi do ubytku czynnej tkanki płucnej. W tych jednostkach chorobowych VC ulega zmniejszeniu, natomiast FEV₁% przyjmuje wartości prawidłowe.

W spoczynku człowiek oddycha 12-15 razy na minutę, co daje ok. 6 litrów powietrza wprowadzanych do płuc w ciągu jednej minuty. Parametr ten nazywany jest wentylacja minutową płuc (MV) i wylicza się go ze wzoru:

MV=TV x BF

TV-objętość oddechowa, BF, częstość oddechów na minutę. Wartość MV znacząco wzrasta podczas wysiłku fizycznego, niejednokrotnie przekraczając 140-150 l/min.

WYMIANA GAZOWA

Gazy dyfundują z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu. Szybkość dyfuzji zależy od różnicy ciśnień i przepuszczalności przegrody pomiędzy dwoma obszarami.

Ciśnienie wywierane przez dowolny gaz w mieszaninie gazów nazywane jest ciśnieniem parcjalnym i jest równe ciśnieniu całkowitemu pomnożonemu przez ułamek, jaki dany gaz stanowi w całkowitej objętości mieszaniny gazów. Ciśnienie gazów w cieczach nazywane jest prężnością gazu w cieczy.

Tlen stale dyfunduje z powietrza w pęcherzykach płucnych do krwi naczyń włosowatych, które oplatają pęcherzyki płucne. CO2 ulega dyfuzji w kierunku przeciwnym. Wymiana tych gazów odbywa się przez cienką błonę pęcherzykowo-włośniczkową, utworzoną z nabłonka oddechowego, sródbłonka naczyń włosowatych i ich zespolonych błon podstawnych.

Ciśnienie parcjalne O2 w powietrzu pęcherzykowym wynosi 100 mmHg, a we krwi naczyń włosowatych płucnych 40 mmHg. Zgodnie z gradientem ciśnień tlen dyfunduje do krwi tętniczej, gdzie pO2 wzrasta do 97 mmHg.

We krwi docierającej do płuc prężność CO2 wynosi 46 mmHg, a w powietrzu pęcherzykowym 40 mmHg. Zgodnie z gradientem dwutlenek węgla dyfunduje z krwi do pęcherzyków płucnych. We krwi opuszczającej płuca pCO2 wynosi 40 mmHg.

TRANSPORT GAZÓW

Transport tlenu: ilość tlenu dostarczanego do tkanek zależy od:

• ilości tlenu docierającej do płuc,

• sprawności wymiany gazowej w płucach,

• stopnia ukrwienia tkanek,

• zdolności krwi do transportu tlenu.

Tlen jest transportowany przez hemoglobinę. Każdy z 4 atomów żelaza w cząsteczce hemu może przyłączyć 1 cząsteczkę tlenu.

Nietrwały związek, który powstaje w wyniku tego połączenia nazywa się oksyhemoglobiną. Reakcję zapisuje się jako:

Hb₄ + 4O₂ ↔ Hb₄O₂

Zdolność krwi do transportu tlenu zależy od:

• ilości rozpuszczonego we krwi tlenu,

• ilości Hb we krwi,

• powinowactwa Hb do tlenu, na które ma wpływ: pH, emperatura, 2,3-DPG.

Wzrost temperatury i spadek pH (podczas wysiłku fizycznego) zmniejsza powinowactwo Hb do tlenu, tzn. że Hb łatwiej go oddaje. Występujący w erytrocytach w dużych ilościach 2,3-DPG zmniejsza powinowactwo Hb do tlenu.

Transport dwutlenku węgla: CO2 dyfundujący z tkanek do krwi naczyń włosowatych jest transportowany do płuc. Transport ten odbywa się w 70% przez osocze i 30% przez erytrocyty. Zarówno w osoczu jak i w krwinkach główną formą transportu CO2 są związki węglanowe, a w mniejszym stopniu karbaminiany. W osoczu tylko nieznaczny procent CO2 jest rozpuszczony fizycznie. Niewielka ilość wiąże się z grupami aminowymi białek osocza tworząc karbaminiany. Zdecydowanie najwięcej CO2 przenoszone jest w formie jonów wodorowęglanowych (HCO₃^-). Krwinka czerwona transportuje niewielka ilość CO2, który łącząc się z globiną, tworzy karbaminohemoglobinę.

REGULACJA ODDYCHANIA

Mięśnie oddechowe sa pobudzane przez ośrodkowy układ nerwowy za pośrednictwem odpowiednich neuronów ruchowych. Ośrodek oddechowy zlokalizowany jest w rdzeniu przedłużonym i składa się z dwu ośrodków o przeciwnej funkcji.

Ośrodek wdechu tworzą neurony, za pośrednictwem których pobudzenie jst przekazywane na motoneurony unerwiające przeponę i mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne - główne mięśnie wdechowe.

Ośrodek wydechu wysyła impulsację do motoneuronów unerwiających przede wszystkim mięsnie międzyżebrowe wewnętrzne - główne mięśnie wydechowe. Gdy ośrodek wdechu jest pobudzany, wówczas ośrodek wydechu jest hamowany i odwrotnie.

Pobudzenia w ośrodku oddechowym pojawiają się samoistnie, ale są modyfikowane przez neurony w moście, które tworzą ośrodek pneumotaksyczny. Pobudzenie tego ośrodka skraca czas wdechu (poprzez hamowanie ośrodka wdechu) oraz powoduje przyspieszenie i spłycenie oddychania.

Modulacja aktywności ośrodka oddechowego

Samoistne pobudzenia powstające w ośrodku oddechowym są modulowane przez szereg mechanizmów, do których można zaliczyć czynność:

• chemoreceptorów- znajdują się w kłębkach szyjnych i aortalnych. Reagują na zmiany w składzie chemicznym krwi: wzrost pCO2, spadek pO2 oraz wzrost stężenia jonów wodorowych. Bodźce te powodują również pobudzenie chemoreceptorów rdzenia przedłużonego, utworzonych przez neurony zlokalizowane w pobliżu ośrodka oddechowego. Impulsacja wysyłana przez podrażnione chemoreceptory pobudza ośrodek wdechu.

• interoreceptorów - do interoreceptorów odgrywających istotną rolę w procesie oddychania zaliczyć należy mechanoreceptory małych oskrzeli. Mechanoreceptory inflacyjne pobudzane są rozciągnięciem płuc, co inicjuje zakończenie fazy wdechu i wyzwolenie wydechu. Natomiast zmniejszenie stopnia rozciągnięcia płuc w czasie wydechu pobudza mechanoreceptory deflacyjne co wyzwala wdech. Są to tzw. odruchy Heringa-Breuera. Receptory ponadbłonkowe typu I są zlokalizowane pod błoną śluzową tchawicy i dużych oskrzeli. Receptory typu I są pobudzane np. przez substancje zawarte w dymie papierosowym. Pobudzenie tych receptorów wywołuje odruchowy kaszel, skurcz mięśniówki oskrzeli, nadmierne wydzielanie śluzu oraz zatrzymanie oddychania. Receptory J są umiejscowione w tkance łącznej płuc i pozostają w styczności z naczyniami włosowatymi otaczającymi pęcherzyki płucne Receptory J są pobudzane przez rozciągnięcie naczyń płucnych. Pobudzenie tych receptorów powoduje początkowy bezdech, po którym występują szybkie i płytkie oddechy.

• proprioreceptorów - impulsacja z propioreceptorów mięśni, ścięgien i stawów prawdopodobnie pobudza neurony wdechowe, bowiem stwierdzono eksperymentalnie, iż czynny i bierny ruch pobudza oddychanie. Mechanizm ten może sprzyjać zwiększeniu wentylacji płuc, zwłaszcza w początkowej fazie wysiłku fizycznego.

Oddychanie odbywa się na ogól poza kontrolą świadomości. Wiadomo jednak, iż zarówno wdech jak i wydech można kontrolować świadomie. Przykładem tej świadomej kontroli oddychania może być wstrzymanie oddechu podczas nurkowania. Jest to możliwe, ponieważ drogi nerwowe odpowiedzialne za kontrolę dowolną biegną bezpośrednio od nowej kory mózgu do motoneuronów unerwiających mięśnie oddechowe, omijając ośrodek w rdzeniu przedłużonym.

6

---