Fizjologia

Kubica, Jaskólski – fizjologia wysiłku

Halicka-Ambroziak – wskazówki do ćwiczeń dla studentów AWF

Oddychanie – wymiana gazów oddechowych (tlen i dwutlenek węgla) między organizmem a otaczającym go środowiskiem.

Azot biernie uczestniczy w oddychaniu. Rozcieńcza tlen, który byłby toksyczny bez niego, sam nie uczestniczy w oddychaniu.

Całkowita pojemność płuc i jej składowe:

1. Całkowita pojemność płuc TLC – objętość powietrza, która znajduje się w płucach po wykonaniu maksymalnego wdechu (5-6 l).

2. Obj. oddechowa TV – obj. powietrza, którą wciągamy do płuc podczas spokojnego wdechu (ok. 0,5 l).

3. Obj. zapasowa wdechowa IRV – obj. powietrza jaką można wciągnąć do płuc po wykonaniu spokojnego wdechu (ok. 2 l).

4. Obj. zapasowa wydechowa ERV – obj., którą można usunąć z płuc po wykonaniu spokojnego wdechu (ok. 1,5 l).

5. Obj. zalegająca RV – obj. jaka zostaje w płucach po wykonaniu max wydechu (ok. 1,2 l).

6. Poj. życiowa płuc IRV + TV + ERV = VC – obj. powietrza, którą można usunąć z płuc od max wdechu do max wydechu (ok. 4-5 l).

Osoby wytrenowane przy skrajnym wysiłku używają 80% poj. życiowej.

1. Poj. odruchowa – obj. pojedynczego oddechu przy max wysiłku fizycznym lub max duszności. Nietrenujący 50% VC, trenujący 80%.

IRV

TV VC

TLC

ERV

RV

Oddychanie zewnętrzne (płucne) – wymiana gazów oddechowych między pęcherzykami płucnymi a

krwią.

100 ml krwi transportuje ok. 20 ml tlenu, 0,3 ml rozpuszcza się w osoczu.

CO₂ jest transportowany przez osocze w postaci dwuwęglanów (ok. 70%)

Ok. 25% CO₂ łączy się z hemoglobiną (wiązania karbaminowe)

Pozostałe 5% rozpuszcza się w osoczu w postaci kwasu węglowego.

Oddychanie wewnętrzne czyli tkankowe – wymiana między krwią a tkankami

Drogi oddechowe:

Górne

• jama nosowa

• gardło

• krtań

Dolne

• tchawica

• oskrzela

• oskrzeliki

• pęcherzyki płucne

Pęcherzyk płucny średnica ok. 0,2 mm

Powierzchnia ok. 0,1mm²

Jest ich około 500-700 mln

Powierzchnia wymiany gazowej ok. 50-70 m²

Mechanizm wentylacji płuc – wdech i wydech

Mechanizm wdechu – jest zawsze procesem czynnym wymaga udziału przepony i mięśni międzyżebrowych zewnętrznych. Podciśnienie w jamie opłucnej powoduje, że płuca podążają za klatką piersiową.

Przy normalnym wdechu podciśnienie = -0,3 Hg

Przy max wdechu =-30 Hg

Wydech – akt bierny (przy wysiłku czynny), bez udziału mięsni.

Gradient stężeń – od większego do mniejszego

Ciśnienie parcjalne zgodnie z prawem dyfuzji (przenikanie przez tkanki od stężenia wyższego do niższego) wywoływane przez mieszaninę gazów

Powietrze 100% - 21% tlen

100% - 760 mm Hg

21% - >159 mm Hg (w górach mniej)

Objętości zalegającej z płuc (ok. 1,5 l) nie da się usunąć.

Wentylacja minutowa płuc

Wentylacja minutowa płuc (V̊_E)

objętość powietrza wdychanego do płuc w czasie jednej minuty.

V̊_E = TV x FR

TV – objętość oddechowa – objętość powietrza wdychana do płuc podczas wdechu (tidal volume).

FR – częstość oddychania, ilość oddechów w czasie jednej minuty.

V̊_Esp = 0,5 l x 16 odd/min

V̊_Esp = ok. 8 l/min (spoczynkowa wentylacja płuc)

Pojemność odruchowa płuc (objętość oddechowa przy maksymalnym wysiłku – u nietrenujących około połowy pojemności życiowej – 2-3 litry).

V̊_Emax – maksymalna ilość powietrza wdychanego do płuc w warunkach maksymalnego wysiłku fizycznego.

V̊_Emax = 2-3 l x 50-60 odd/min

V̊_Emax = ok. 100-120 l/min u niewytrenowanych

Ok. 150-200 l/min u trenujących

Wentylacja płuc przy maksymalnym wysiłku nie jest w pełni wykorzystywana. Nie ważne jest ile powietrza przechodzi przez płuca, ważne ile tlenu jest w stanie przetransportować hemoglobina do tkanek.

MVV – maksymalna wentylacja dowolna – maksymalna wentylacja płuc w czasie 1 minuty przy świadomie zwiększonej do max. częstości i głębokości oddychania.

MVV jest najczęściej większa od max. wentylacji płuc przy max. wysiłku fizycznym.

TV=500ml

Vb=ok.150ml – zostaje w drogach oddechowych

Va=ok.350ml - dochodzi do pęcherzyków płucnych

Lepiej więc jest oddychać głębiej a rzadziej niż częściej biorąc płytsze wdechy.

Powyżej 150 l/min wentylacja przestaje być efektywna – mięśnie wydechowe zużywają nadwyżkę tlenu.

Analiza gazów oddechowych

Powietrze wdechowe:

• O₂ – 21%

• CO₂ – 0,03%

Powietrze wydechowe:

• O₂ – 16%

• CO₂ – 4-4,5%

Omówienie warunków:

ATPS – objętość gazów w aktualnych warunkach ciśnienia, wilgotności, temperatury zewnętrznej.

BTPS – objętość gazów w warunkach zbliżonych do panujących wewnątrz organizmu ok. 37˚C, V̊_E przelicza się na warunki BTPS (powietrze znajdujące się w płucach ogrzewa się do około 37˚ C).

STPD – objętość gazów w standardowych warunkach powietrza suchego (0% wilgotności, w temperaturze 0˚ C i przy ciśnieniu 760 mm Hg).

V̊_O2 – minutowy pobór tlenu

V̊_CO2 – minutowa produkcja CO₂

Wzór Needhama

Należne wartości MVV

Dla mężczyzn MVV_nal = (-1,2 x wiek) + 170

Dla kobiet MVV_nal= (-0,7 x wiek) +113

Wzór Vesta

VC = wys. ciała x 25 dla m (należna pojemności życiowej płuc)

= wys. ciała x 23 dla k

Regulacja oddychania

Oddychanie odbywa się na drodze odruchowej, ponieważ mięśnie oddechowe są mięśniami szkieletowymi dlatego możemy wpływać na oddech jednak sami nie jesteśmy w stanie uregulować częstości i głębokości oddechów tak żeby było najlepiej, dlatego lepiej nie ingerować.

Środek oddechowy znajduje się w rdzeniu przedłużonym i moście Varola. Podstawowy odruch umożliwiający naprzemienny wdech i wydech znajduje się w rdzeniu przedłużonym – jest to odruch Heringa-Brewera (teoria samosterownictwa oddychania). Dwutlenek węgla pobudza ośrodek wdechowy (część wdechową ośrodka oddechowego), który inicjuje impulsami skurcz mięśni wdechowych. Następuje wdech, podczas którego zwiększa się objętość pęcherzyków płucnych.

W pęcherzykach płucnych znajdują się mechanoreceptory, które zostają pobudzone na szczycie wdechu. Z tych receptorów włókienka czuciowe nerwu błędnego przekazują impulsy hamujące wdechową część ośrodka oddechowego, dochodzi do biernego wydechu.

W czasie wysiłku – w przypadku nasilonej wentylacji płuc - impulsy z mechanoreceptorów nie tylko hamują część wdechową ale równocześnie pobudzają wydechową część ośrodka oddechowego, wówczas wydech staje się procesem czynnym.

Niedotlenienie i rodzaje niedotlenienia

Hipoksja – niedotlenienie (hipo – czegoś za mało, hiper – za dużo; oksja – dotyczy tlenu, kapnia – dotyczy dwutlenku węgla).

Hiperwentylacja – nadmierna wentylacja w stosunku do potrzeb, powoduje bardzo szybkie pozbycie się dwutlenku węgla (hipokapnia) – dwutlenek węgla jest potrzebny żeby można było oddychać – wpływa na czynność enzymów oddechowych i potrzebny jest do wiązania tlenu – gdy go nie ma dochodzi do hipoksji.

Hipoksja atoksyczna – niedotlenienie spowodowane zbyt małą prężnością tlenu w powietrzu atmosferycznym (wdechowym).

W warunkach małej ilości tlenu w powietrzu wzrasta szybkość oddechów i głębokość. Po 2-3 tygodniach w takich warunkach wzrasta pojemność tlenowa krwi na wskutek zwiększonej erytropoezy czyli procesu tworzenia czerwonych krwinek. Warunkuje to większą wydolność w przypadku wysiłków tlenowych. Hemoglobina może wzrosnąć prawie o połowę.

Hipoksja histotoksyczna – niedotlenienie spowodowane toksycznym wpływem różnych związków na nośniki tlenu.

Stężenia zwiększonego tlenku węgla nie da się stwierdzić bez specjalnej aparatury. Hemoglobina ma wielokrotnie większe powinowactwo do tlenku węgla niż do tlenu, który przyłącza się w tym samym miejscu uniemożliwiając przyłączenie się tlenu i na dodatek przyłącza się trwale.

Hipoksja zastoinowa – niedotlenienie spowodowane nagromadzeniem krwi w jednych częściach ciała, a jej brakiem w innych (chodzi głównie o niedokrwienie CUN).

Hipoksja anemiczna – niedotlenienie spowodowane zbyt małą ilością erytrocytów (a więc również hemoglobiny – zbyt mała pojemność tlenowa).

p. 214 kolokwium ustnie 10.03.2008

Oznaczanie minutowego poboru O₂ i minutowego wydalania CO₂

Minutowy pobór tlenu V̊_O2 [l/min], [ml/kg/min]

V̊_O2 = V̊_E x (%o_{2 wd} - %O_{2 wyd})

V̊_O2= 8l x (21%-16,5%) = 8l x 4,5% = 0,36l = 360 ml (w warunkach spoczynkowych).

Minutowe wydalanie V̊_CO2 (l/min)

V̊_{CO2 =} V_E x (%CO_{2 wyd} - %CO_{2 wd})

V̊_CO2 = 8l (4%-0,03%)

V̊_CO2 = 0,32 l = 320ml

Iloraz oddechowy (RQ)

Stosunek minutowego wydalania CO₂ do minutowego poboru O₂.

RQ = $\frac{V\mathring{}CO2\ }{V\mathring{}O2\ }$ średnia wartość w spoczynku – 0,85

Dieta mieszana – ok. 0,85

Same tłuszcze – ok. 0,7

Same białka – ok. 0,85

Same węglowodany – ok. 1

W warunkach spoczynkowych wielkość RQ warunkowana jest rodzajem spalanych substancji.

W warunkach wysiłkowych wielkość RQ będzie zależała od intensywności przemian anaerobowych (beztlenowych). Im bardziej intensywny wysiłek większa część energetyki pokrywana jest z przemian beztlenowych – więcej produkowanego kwasu mlekowego – więcej kwasu mlekowego przerabiają bufory na niemetaboliczny CO₂ – rośnie licznik – rośnie RQ.

0,6 – 1,3 - najczęściej spotykany zakres RQ

Przy dużej intensywności RQ rośnie dopiero po zakończeniu wysiłku. Przy maksymalnym wysiłku jest większy od 1.

Przy umiarkowanym wysiłku na początku spada, potem utrzymuje się na stałym poziomie.

Współczynnik tlenowo – wentylacyjny

Współczynnik wykorzystania O₂

$\frac{V\mathring{}O2\ }{V\mathring{}E\ }$ - stosunek minutowego poboru tlenu do minutowej wentylacji płuc [ml/l]

Ilość pobieranego tlenu z jednego litra wdychanego do płuc powietrza

(ile ml tlenu zużywamy z 1 l powietrza) ~10-60

W warunkach spoczynkowych u nietrenujących ~35

u trenujących ~40

podczas wysiłku u nietrenujących ~45

u trenujących ~55

podczas wysiłku zwiększa się znacznie różnica między trenującymi a nietrenującymi

podczas wysiłku maksymalnego u nietrenujących ~25

u trenujących ~45

podczas maksymalnego wysiłku dochodzi do hiperwentylacji (nieliniowego przyrostu wentylacji płuc w stosunku do minutowego poboru tlenu).

$\frac{V\mathring{}O2\ }{V\mathring{}E\ }$ =$\ \frac{360\ ml}{8l}$ = 45 ml/l

Współczynnik tlenowo – pulsowy

Stosunek minutowego poboru tlenu do częstości skurczu serca

$\frac{V\mathring{}O2\ }{\text{HR\ }}$ ilość tlenu zużywanego z objętości krwi tłoczonej podczas jednego skurczu serca (objętości wyrzutowej serca) – ok. 5 ml/SV

Przy max. wysiłku do 25-30 ml

	%O2	%CO2	wsk. licznika przed	wsk. licznika po	V̊O2 [l/min]	V̊O2 [ml/kg/min]	V̊CO2 [l/min]	V̊E [l/min]	HR [sk/min]	$$\frac{\mathbf{V\mathring{}O}\mathbf{2}\mathbf{\ }}{\mathbf{V\mathring{}E}}$$ [ml/l]	$$\frac{\overset{\mathring{}}{\mathbf{V}}\mathbf{O}\mathbf{2}\mathbf{\ }}{\mathbf{\text{HR\ }}}$$ [ml/sk]	RQ
sp.	16,9	4,2	554	582	0,38	5,13	0,34	9,3	71	40,96	5,36	0,89
wys.	16,5	5,4	582	737	2,35	31,7	2,51	52,3	116	44,93	20,25	1,07
150W					STPD	STPD	STPD	BTPS

Wyniki w warunkach ATPS

Temp. 22˚C

Ciśnienie 760 mm Hg

Wyniki w warunkach STPD x 0,901

Wyniki w warunkach BTPS x 1.091

	%O2	%CO2	wsk. licznika przed	wsk. licznika po	V̊O2 [l/min]	V̊O2 [ml/kg/min]	V̊CO2 [l/min]	V̊E [l/min]	HR [sk/min]	$$\frac{\mathbf{V\mathring{}O}\mathbf{2}\mathbf{\ }}{\mathbf{V\mathring{}E}}$$ [ml/l]	$$\frac{\overset{\mathring{}}{\mathbf{V}}\mathbf{O}\mathbf{2}\mathbf{\ }}{\mathbf{\text{HR\ }}}$$ [ml/sk]	RQ
sp.	16,9	4,2	554	582	0,34	4,62	0,31	10,15	71	33,5	4,8	0,89
wys.	16,5	5,4	582	737	2,12	28,56	2,26	57,1	116	37,1	18,3	1,07

UKŁAD ODDECHOWY WYMAGANIA:

• Oddychanie płucne i tkankowe

• Transport gazów przez krew

• Drogi oddechowe

• Budowa i funkcja pęcherzyków płucnych

• Mechanizm wdechu i wydechu

• Zasada wymiany gazów oddechowych

• Składowe całkowitej pojemności płuc

• Pojemność życiowa i pojemność odruchowa płuc

• Wentylacja minutowa płuc i maksymalna wentylacja dowolna

• Regulacja oddychania - odruch Heringa-Breuera

• Mechanizm zmiany intensywności oddychania podczas wysiłku fizycznego

• Minutowy pobór tlenu i minutowe wydalanie dwutlenku węgla

• Iloraz oddechowy, współczynnik tlenowo-wentylacyjny i tlenowo-pulsowy

• Rodzaje hipoksji