Zakład Fizjologii dr. Adam Martyn
Rola układu krążenia, układu oddechowego oraz krwi w transporcie tlenu w spoczynku i podczas wysiłków fizycznych.
Anna Wicha gr. I ż/m zaoczne
Rola układu krążenia, układu oddechowego oraz krwi w transporcie tlenu w spoczynku i podczas wysiłków fizycznych.
Zadaniem wszystkich układów i komórek organizmu ludzkiego jest współdziałanie w celu utrzymania homeostazy. Homeostaza, czyli integracja strukturalno-fizjologiczna organizmu oraz koordynacja procesów biochemicznych w ustroju jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania organizmu.
Dostarczenie tlenu do każdej komórki organizmu jest możliwe dzięki wymianie gazowej w płucach i jego transporcie w krwi przez układ krążenia.
Czyli czynność układu krążenia jest ściśle powiązana z układem oddechowym, z czym wiąże się pojecie wydolności krążeniowo-oddechowej. Wydolność krążeniowo-oddechowa oznacza zdolność transportowania tlenu z powietrza atmosferycznego do tkanek, co zależy głownie pojemności i sprawności funkcjonowania serca.
Układ krążenia zapewnia ciągły i zorganizowany ruch krwi.
Krew jako płynna tkanka wypełniająca układ krążenia transportuje min. tlen z płuc do tkanek, oraz dwutlenek węgla z tkanek do płuc. Układ ten jest układem zamkniętym, zbudowanym z pompy -serca, naczyń tętniczych, naczyń włosowatych i żył.
Centralną częścią układu krążenia jest serce, które kurcząc się działa jak pompa- powoduje przesuwanie krwi w naczyniach, a tym samym zapewnia jej dopływ do wszystkich tkanek.
Obieg krwi u człowieka składa się z dwóch części: I obieg duży- rozprowadza wysycaną tlenem krew po całym organizmie i II obieg płucny, -w którym krew zostaje utleniona, a dwutlenek węgla wydalony do atmosfery.
Spoczynkowa częstość skurczów serca (HR) wynosi 70-80 pobudzeń/min.a uzależniona jest od czynności nadawcy rytmu, natomiast objętość wyrzutowa (SV)każdej komory wynosi ok.70ml.Tak wiec a łatwy sposób możemy obliczyć, że pojemność minutowa(Q)serca wynosi ok. 4,9 l/min. Gdyż: Q=SV x HR
Pojemność minutowa(Q)serca jest najważniejszym czynnikiem, który warunkuje wydolność tlenową. Zwiększa się ona w czasie wysiłku fizycznego dzięki wzrostowi HR i SV
Cześć przywspółczulna układu autonomicznego, w postaci nerwu błędnego, może znacznie zmniejszać częstotliwość do 20-30/min. Natomiast maksymalne pobudzenie układu współczulnego może doprowadzić do HR w granicach 250skurczów/min. W czasie spoczynku przeważa czynność układu przywspółczulnego, a przy wysiłku- współczulnego. W czasie maksymalnego wysiłku HR może dochodzić do 200-220skurczów/min.
To właśnie układ krążenia odpowiedzialny jest za prawidłowe funkcjonowanie mięśni, gdyż decyduje on o odpowiednim zaopatrzeniu tlenowym mięśni podczas pracy.
Adaptacja układu krążenia do zwiększonych wymagań transportu tlenu odbywa się przede wszystkim przez przyspieszenie częstości skurczów i wzrost pojemności wyrzutowej serca
Obciążenie względne oznacza proporcje pomiędzy zapotrzebowaniem na tlen podczas wykonywania pracy a maksymalnym pochłanianiem tlenu przez organizm /VO2max/.
Jak widać z załączonej tabeli pobieranie tlenu oraz częstość skurczów i wzrost pojemności wyrzutowej serca zależy od intensywności wysiłku. Wysiłki, podczas których zapotrzebowanie na tlen jest różne indywidualnej wartości VO2max, noszą nazwę wysiłków maksymalnych, wysiłki, podczas których zapotrzebowanie na tlen przekracza VO2max,określa się jako wysiłki supramaxymalne, a wysiłki o zapotrzebowaniu na tlen mniejszym niż VO2max jako wysiłki submaksymalne.
Natomiast przy wysiłkach statycznych podczas skurczów izometrycznych dodatkowym czynnikiem oddziaływującym na metabolizm jest niedokrwienie pracujących mięśni. Jest to związane z uciskiem napiętych mięśni na naczynia krwionośne.
Przy dużej sile skurczu dochodzi do całkowitego zatrzymania dopływu krwi tętniczej i odpływu krwi żylnej pracującego mięśnia. Hamuje to dopływ tlenu i substratów energetycznych, pochodzących ze źródeł poza mięśniowych, oraz wypłukiwanie produktów przemiany materii (mleczanu, CO2).
W pokrywaniu zapotrzebowania metabolicznego mięśni podczas wysiłków statycznych wykonywanych w sposób ciągły i z użyciem dużej siły, przeważają procesy beztlenowe.
W normalnych warunkach mięśnie zużywają około 50 ml tlenu w ciągu minuty.
Przepłynięcie 1 l krwi przez tkankę mięśniowa dostarcza tyle właśnie tlenu. Jednakże 1 l krwi zawiera normalnie 200 ml tlenu, zatem mięśnie zabierając jedynie 50 ml, pozostawiają we krwi krążącej jeszcze 150 ml tlenu (mięśnie wykorzystały 25% tlenu z krwi).
W czasie wysiłku przez mięśnie przepływa 20 l krwi w ciągu minuty. Ekstrakcja tlenu z krwi do mięśni wzrasta wówczas, o 80-90%, co jest mechanizmem adaptacyjnym do wysiłku fizycznego.
Układ krążenia ma za zadanie jak już wspomniałam wyżej dostarczać tlen i innych substratów odżywczych do komórek, a usuwać produkty przemiany materii. Jednak największe znaczenie ma transport tlenu- pierwiastka, który niezbędny jest do życia organizmu.
Układ krążenia spełnia swoją rolę dzięki przepływającej krwi.
Objętość krwi w układzie stanowi od 6 do 8 % masy ciała, czyli ok. 5l.
1 l. krwi tętniczej zawiera ok. 140 (u kobiet) do 160 g (u mężczyzn ) hemoglobiny i może transportować ok. 180 do 210 ml. tlenu, w zależności od płci. W krwi żylnej zawartość tlenu wynosi ok.150ml, dlatego tez mówimy, że różnica tętniczo-żylna zawartości tlenu we krwi waha się w spoczynku od 50 do 60 ml/l.
Transport tlenu we krwi odbywa się w krwinkach czerwonych za pomocą hemoglobiny (Hb)
1 g hemoglobiny wiąże 1,34 ml tlenu, który dalej transportowany jest z płuc do tkanek.
Molekularny mechanizm wymiany gazowej pomiędzy erytrocytami i komórkami ciała jest niezwykle złożony. Ogólnie ujmując proces ten przebiega następująco:
Na terytorium płuc, gdzie panuje wysokie ciśnienie parcjalne tlenu (100 mm Hg), hemoglobina wiąże tlen, przechodząc w oksyhemoglobinę.
Dwutlenek węgla dyfunduje do włośniczek. Większa część, CO2 (70-80%) jest transportowana w formie jonów HCO3-. Aby taki jon powstał najpierw, CO2 musi przejść do wnętrza erytrocytu. Zawarta w nich anhydraza węglanowa katalizuje reakcję:, CO2 + H2O ---anhydraza węglanowa--- HCO3-. Powstałe jony wodorowęglanowe są równoważone potasem.
Przenikanie jonów wodorowęglanowych z cytozolu krwinek do osocza. Różnicę stężeń wyrównuje napływ jonów chloru (z osocza) do cytozolu krwinek (w zamian za wypływ HCO3). Za chlorem podąża woda, co zwiększa objętość krwinki.
20-30% CO2 jest transportowane w postaci karbaminianów: Hb-NH2, + CO2 → Hb-NH-COOH → Hb-NH-COO- + H+.
W płucach panuje niższe stężenie (niższe ciśnienie parcjalne), CO2 (40 mm Hg) niż w tkankach i we krwi. Wskutek tego rozpadają się karbaminiany, CO2 uwalniany jest z krwi. Powstająca oksyhemoglobina odczepia wodór. Następuje rozpad wodorowęglanów, do CO2 i H2O. Chlor wraca do osocza.
Szybkość dysocjacji oksygemoglobiny zależy od wielu czynników. Oksyhemoglobina łatwo dysocjuje przy niskim ciśnieniu parcjalnym tlenu, w niskim pH (w środowisku kwaśnym), przy wysokim ciśnieniu parcjalnym, CO2 i w podwyższonej temperaturze. Takie sprzyjające warunki występują w tkankach ciała.
Przebieg (o esowatym kształcie) dysocjacji hemoglobiny usprawnia pobieranie go w płucach i oddawanie w tkankach.
Szczególne znaczenie przy wysiłku fizycznym ma Efekt Bohra. Bohr wykazał, iż wzrost zakwaszenia, czyli obniżenie pH, wzrost temperatury, wyższy poziom dwutlenku węgla przyspiesza pobieranie tlenu z krwi przez tkanki.
Organizm reaguje na wysiłek fizyczny w różny sposób: jedne reakcje i funkcje zachodzą szybciej, zmienia się też niekiedy masa, bądź wielkość czy też objętość płynów ustrojowych, nawet narządów czy też mięśni.
Na przykład przy wysiłku siłowym masa serca wzrasta, a trening fizyczny typu wytrzymałościowego, który polega na systematycznym wykonywaniu dynamicznych długotrwałych wysiłków o umiarkowanej intensywności, powoduje wzrost wydolności krążeniowo-oddechowej. Czego efektem jest usprawnienie regulacji nerwowej układu sercowo - naczyniowego, zwiększenie rozmiarów serca i poprawa jego kurczliwości, wzrost gęstości naczyń włosowatych w mięśniach oraz zwiększenie dyfuzyjnej pojemności płuc i objętości krwi.
Ponadto mają miejsce zjawiska takie jak np. redystrybucja krwi, (czyli najprościej mówiąc przemieszczenie krwi np. z jamy brzusznej do mięśni), czy też kapilaryzacja (przepływ mięśniowy), kiedy powstają nowe naczynia krwionośne wspomagające transport krwi do pracującego mięśnia. Stwierdzono, że u osób mających wysokie wartości VO2max
( u osób trenujących) liczba unaczynienia mięśni jest większa niż przeciętna.
Podsumowując: sprawność procesów tlenowych jest najczęściej określana maksymalnym pochłanianiem tlenu. Wielkość pochłaniania tlenu podczas pracy zależy z jednej strony od zapotrzebowania na tlen, o którym decyduje moc wykonywanej pracy a z drugiej od sprawności funkcji zaopatrzenia tlenowego. Od utrzymania równowagi czynnościowej, zależy możliwość dłuższego wykonywania pracy bez przeciążenia ustroju. A jeśli zapotrzebowanie na tlen podczas pracy przekracza sprawność funkcji zaopatrzenia tlenowego, część energii uwalniana jest w toku beztlenowych procesów metabolicznych.
Czynność układu krążenia jest ściśle powiązana z układem oddechowym.
Głównym zadaniem układu oddechowego jest dostarczanie tlenu a wydalanie dwutlenku węgla.
W układzie oddechowym wyróżnić można górny i dolny odcinek. Górny odcinek obejmuje jamę nosową, jamę nosowo-gardłową i krtań. Dolny odcinek utworzony jest przez tchawicę, oskrzela i płuca. Głównym mięśniem oddechowym jest przepona, która kurcząc się powoduje wzrost pojemności płuc, a tym samym wdech.
Pojemność płuc dorosłej osoby wynosi od 4 do 6 l , masa ok. 1kg , gdzie znajduje się ok. 300mln pęcherzyków płucnych.
Układ oddechowy zapewnia oddychanie zewnętrzne, czyli wymianę gazową pomiędzy atmosferą a krwią.
Oddychanie wewnętrzne obejmuje procesy wewnątrzkomórkowe, zmierzające do wytworzenia energii.
W wyniku oddychania powstaje w tkankach różnica w stężeniach gazów.
Następuje spadek ilości tlenu w tkankach w stosunku do powierzchni organizmu i atmosfery oraz wzrost stężenia dwutlenku węgla w tkankach w porównaniu z powierzchnią ciała i atmosferą. Spadek potencjałów wywołuje dyfuzję gazów, dążących do wyrównania stężeń. Zatem tlen podąża ku środkowi (dotkankowo), a dwutlenek węgla kieruje ku zewnątrz - odtkankowo.
Układ oddechowy umożliwia tę dyfuzję poprzez usprawnienie i ułatwienie transportu gazów oraz zwiększenie powierzchni wymiennej dla gazów.
Wydech w warunkach spoczynkowych jest aktem biernym, na skutek powstałych w trakcie wdechu (rozciągnięcie klatki piersiowej) sił sprężystości. Natomiast wdech jest aktem czynnym.
Częstość oddechów w stanie spoczynkowym wynosi 16-20 na minutę.
Do płuc krew dostaje się przez tętnicę płucną i tętnice (gałęzie) oskrzelowe.
Tętnicą płucną płynie krew czynnościowa z prawej komory serca, jest to, więc krew bogata w dwutlenek węgla. Tętnice (gałęzie) oskrzelowe transportują krew utlenowaną, odżywczą, pochodzącą z aorty.
Tętnica płucna rozgałęzia się na coraz drobniejsze tętniczki i naczynia włosowate oplatające pęcherzyki płucne, a następnie łączą się w żyłki, żyły oraz dużą żyłę płucną wpadającą do lewego przedsionka (krew utlenowana). Z lewego przedsionka krew przepływa do lewej komory skąd, zostaje wyrzucona do aorty (przenosi tlen po całym organizmie).
Mechanizm wentylacji płuc i wymiany gazowej odbywa się następująco: Napływ powietrza do płuc podczas wdechu oraz wydalenie powietrza z płuc podczas wydechu są spowodowane labilnymi (zmiennymi) różnicami ciśnień między powietrzem atmosferycznym a wnętrzem płuc.
Łącznotkankowy zrąb pęcherzyków płucnych, zbudowany jest z włókienek białkowych (kolagen, elastyna), które nadają sprężystość i spoistość płucom.
Ciśnienie powietrza w pęcherzykach jest większe niż ciśnienie powietrza w jamie opłucnej. Różnica ciśnień prowadzi do rozciągnięcia płuc, przezwyciężając naprężenie sprężyste zrębu łącznotkankowego. Za każdym oddechem do pęcherzyków dopływa 350ml powietrza.
Mięśnie wdechowe podczas akcji zwiększają objętość klatki piersiowej.
Ciśnienie w jamie opłucnej ulega zmniejszeniu, a płuca rozciągają się. Powiększenie płuc powoduje zwiększenie objętości pęcherzyków płucnych. Ciśnienie powietrza w pęcherzykach obniża się. Ciśnienie powietrza spada także w drogach oddechowych.
Powietrze ze środowiska zewnętrznego, gdzie panuje wyższe ciśnienie, podąża do płuc przez drogi oddechowe i będzie napływać do pęcherzyków płucnych tak długo, aż nie nastąpi wyrównanie różnicy ciśnień, (gdy ciśnienie w pęcherzykach zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym)
Wymiana gazowa pomiędzy pęcherzykami i krwią odbywa się na zasadzie dyfuzji. Dyfuzja jest samorzutnym przenikaniem cząsteczek jednej substancji do układu cząsteczek drugiej substancji, wywołanym kinetyczną energią tych cząsteczek.
Przenikanie cząsteczek odbywa się w kierunku od potencjałów wyższych do potencjałów niższych, czyli od stężenia większego do stężenia mniejszego, aż do stanu równowagi przy wyrównanych potencjałach (stężeniach).Aby tlen lub dwutlenek węgla mogły być przetransportowane do centrum docelowego muszą ulec rozpuszczeniu w płynie ustrojowym. Stykanie się krwi z gazem powoduje przenikanie gazu do krwi.
Gazy rozpuszczają się we krwi zgodnie z prawem Henry`ego i z prawem Daltona.
Cząsteczki gazu przenikają do krwi do momentu wystąpienia równowagi pomiędzy ilością cząsteczek wnikających do krwi, a ilością cząsteczek uchodzących z krwi.
Nasycona gazem krew wykazuje określoną prężność (gaz uchodzi z krwi z pewną siłą, która jest równa ciśnieniu nad krwią).
Według prawa Henry`ego stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy (krwi) jest w stanie równowagi proporcjonalne do ciśnienia cząsteczkowego gazu pozostałego nad cieczą (krwią), niezależnie od innych gazów.
Zgodnie z prawem Daltona ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych (parcjalnych), jaki miałby każdy z gazów, zajmując sam objętość mieszaniny, w tej samej temperaturze.
Należy dodać, że wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta prężność gazu. Natomiast wzrost temperatury zmniejsza prężność gazów.
Pojemność życiowa płuc jest to ilość powietrza wciągnięta od maksymalnego wydechu do maksymalnego wdechu. Wynosi ona przeciętnie 3,5-4 l. Obejmuje powietrze zapasowe (około 1,5 l), oddechowe (wymieniane normalnym oddychaniem) - około 0,5 l i powietrze uzupełniające (około 1,5 l). Zapotrzebowanie młodego człowieka na tlen wynosi 200-280 ml/min.
Wentylacja minutowa płuc (MV), czyli ilość powietrza przepływającego przez płuca w ciągu jednej minuty, zależy od liczby i głębokości oddechów. W spoczynku wynosi ona ok.7 l /min. przy ok. 14 oddechach na 1 min.i objętości oddechowej ok 500 ml.
Podczas maksymalnego wysiłku objętość oddechowa może osiągnąć ok.60% pojemności życiowej płuc, a częstość oddechów może dochodzić nawet do ok. 60/min.
Podczas wysiłku o stałej intensywności wentylacja minutowa i pobieranie tlenu ustalają się na pewnym poziomie, dzięki zwiększeniu objętości oddechowej tu wentylacja wynosi ok 20-25 l powietrza, z którego organizm pobierze 1 l tlenu - liczbę tą nazywamy ekwiwalentem wentylacyjnym.
Trening fizyczny typu wytrzymałościowego powoduje wzrost maksymalnej wentylacji minutowej płuc, co jest oczywiście związane ze zwiększeniem wydolności tlenowej a co za tym idzie zwiększenie zapotrzebowania na tlen i wydalanie dwutlenku węgla.
Tak więc, na podstawie powyżej omówionych czynności i funkcji układu oddechowego widać, że aby człowiek mógł wykonywać długotrwałą pracę o wysokim koszcie energetycznym, jego ustrój musi posiadać zdolność wykorzystywania podczas wysiłku tlenowych źródeł energii. Co jest możliwe wówczas , gdy ilość tlenu dostarczonego do mięśni odpowiada zapotrzebowaniu na tlen. A zależy to od sprawności funkcji współdziałających ze sobą układów, czyli oddechowego i krążenia a dokładniej:
maksymalna wentylacja płuc
pojemność dyfuzyjna płuc
transport tlenu z płuc do tkanek
maksymalna pojemność minutowa serca
rozmieszczenie przepływu krwi podczas pracy (mięśniowy przepływ krwi)
wyposażenie enzymatyczne i wykorzystanie tlenu przez mięśnie
Ważnym elementem, w utrzymaniu zdrowia i prawidłowych funkcji organizmu jest systematyczny ruch, „trening organizmu”, wysiłek fizyczny.
Trening uintensywnia i usprawnia aktywność ruchową oraz nasila dowóz tlenu i oddychanie tkanek, przez co zwiększa się ogólna wydolność fizyczna ustroju. Zdolność pobierania tlenu wrasta wówczas o 18-25%. Trening zwiększa objętość wyrzutową i minutową serca. Polepsza ukrwienie mięśni. Wzmaga tworzenie odgałęzień naczyń włosowatych w tkance mięśniowej (rozwija unaczynienie mięśni).
W wyniku treningu powiększa się pojemność komór i przedsionków serca. Wzmożeniu ulegają procesy hemopoezy (tworzenia krwi), w wyniku, czego zwiększa się ilość krążącej krwi. Następuje wzrost zawartości mioglobiny w miocytach.
Ponadto u osób wytrenowanych obserwuje się zwiększone ciśnienie w obiegu małym, czyli płucnym, co niewątpliwie poprawia ukrwienie płuc i uefektywnia wymianą gazową. Odpływ krwi z trzewi zwiększa ukrwienie mięśni i skóry. Wzmożone wydzielanie potu zwiększa utratę nadmiaru ciepła.
Trening przyczynia się do zwiększonego odkładania fosfokreatyny i glikogenu w mięśniach. Usprawnieniu ulega koordynacja ruchowa mięśni, polepsza się również czucie głębokie mięśni, przez co możliwe jest wykonywanie precyzyjniejszych ruchów. We krwi osób dobrze wytrenowanych istnieje większy zasób moderatorów krwi, dzięki czemu organizm nie jest narażony na zachwianie równowagi kwasowo-zasadowej podczas wysiłku fizycznego. Stabilizuje to homeostazę organizmu i uodparnia na stres. Wzrasta maksymalna wentylacja płuc, bowiem zwiększa się pojemność oddechowa płuc.
Znajomość reakcji fizjologicznych (życiowych) przy wysiłkach fizycznych jest konieczna dla polepszenia metod nauki wychowania fizycznego i treningu.
Wychowanie fizyczne sprzyja rozwojowi fizjologicznych czynności organizmu.
Pod wpływem systematycznych ćwiczeń fizycznych zmianie ulegają nie tylko procesy fizjologiczne, ale i budowa anatomiczna organizmu.
Bibliografia:
Traczyk W.Z.: „Fizjologia człowieka w zarysie”rozdział: V i VI
PZWL Warszawa 1997.
Ganong W.F.: „Fizjologia. Podstawy fizjologii lekarskiej.” PZWL Warszawa 1994
Jaskólski A.: „Podstawy fizjologii wysiłku fizycznego z zarysem fizjologii człowieka”
Michajlik A., Ramotowski W. „Anatomia i fizjologia człowieka” rozdział: III,VI,VII
Zbigniew Drozdowski „Antropologia sportowa” PWN Warszawa - Poznań 1984
7
2