ODDYCHANIE

Istotą procesu jest wyzwolenie energii zgromadzonej w organizmie. Do wyzwolenia energii ze zw. chemicznych niezbędny jest tlen atmosferyczny. Oddychanie dzielimy na

• Oddychanie zewnętrze - polega na doprowadzeniu cząstek tlenu atmosferycznego do wnętrza komórek

• Oddychanie wewnętzne - wewnątrzkomórkowe - cząsteczki tlenu wchodzą w reakcje chemiczne.

ODDYCHANIE ZEWNĘTRZNE

Jest to złożony proces, w którym biorą udział układ oddechowy(drogi oddechowe i płuca), mięsnie poprzecznie prążkowane szkieletowe, krew i układ sercowo-naczyniowy oraz ośrodki nerwowe sterujące oddychaniem.

Polega ono na doprowadzeniu tlenu atmosferycznego do komórek zgodnie z gradientem ciśnienia parcjalnego tlenu. Jednocześnie zostaje usuwany z komórek dwutlenek węgla powstający w wyniku utleniania komórkowego zw. organicznych. Dwutlenek węgla jest usuwany również zgodnie z gradientem ciśnienia parcjalnego.

Oddychanie zewnętrzne dzieli się na szereg procesów:

• Wentylacja płuc

• Dyfuzja gazów pomiędzy powietrzem pęcherzykowym i krwią

• Transport gazów za pośrednictwem krwi

• Dyfuzja gazów pomiędzy krwią i komórkami

WENTYLACJA PŁUC

Wdechy i wydechy

Wentylacja płuc jest uzależniona od ruchów oddechowych klatki piersiowej. W czasie wdechu powiększa się objętość klatki piersiowej. Skurcz mięśni wdechowych (przepona i mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne) powoduje powiększenie wymiarów wewnętrzny klatki piersiowej: pionowego, strzałkowego i czołowego. Opłucna płucna przylega do opłucnej ściennej i w czasie wdechu podąża za nią, wypełniając cała jamę opłucnej, w której panuje ujemne ciśnienie w czasie spokojnego oddychania. Powoduje to rozciągnięcie tkanki płucnej, obniżenie się ciśnienia w pęcherzykach płucnych, w drogach oddechowych i napływ powietrza do płuc w celu wyrównania powstałej różnicy ciśnień.

Na szczycie wdechu mięsnie wdechowe rozkurczają się i klatka piersiowa zaczyna zmniejszać swoją objętość dzięki sile wywieranej przez rozciągnięte elementy sprężyste w tkance płucnej. Ciśnienie w pęcherzykach wzrasta powyżej ciśnienia atmosferycznego i powietrze jest usuwane na zewnątrz.

Spokojny wydech - akt bierny, nie wymaga skurczu mięśni, w czasie nasilonego wydechu kurczą się mięsnie międzyżebrowe wewnętrzne oraz mięśnie przedniej ściany brzusznej, przede wszystkim mięśnie proste brzucha.

W nasilonych wdechach biorą udział mięśnie wdechowe dodatkowe:

• Mięsnie mostkowo-obojczykowo-sutkowe

• Mięśnie piersiowe mniejsze

• Mięsnie zębate przednie

• Mięsnie czworoboczne

• Mięsnie dźwigacze łopatki

• Mięśnie równoległoboczne większe i mniejsze

• Mięsnie pochyłe

Pojemność płuc

U mężczyzn w czasie najgłębszego wdechu znajduje się 6 l powietrza. Jest to pojemność płuc całkowita TLC. Dzieli się ją n pojemność wdechową IC i pojemność zalegającą czynnościową FRC

Pojemność wdechowa IC - powietrze wciągane do płuc w czasie najgłębszego wdechu po spokojnym wydechu

Pojemność zalegająca czynnościowa FRC - powietrze pozostające w płucach po spokojnym wydechu. Każda z tych dwóch pojemności dzieli się na dwie objętości. Objętość oddechowa TV wdychana i wydychana w czasie swobodnego wdechu i wydechu oraz objętość zapasowa wdechowa IRV wciągana do płuc w czasie maksymalnego wdechu wykonywanego na szczycie swobodnego wdechu, tworzą łącznie pojemność wdechowa.

Po swobodnym wdechu można wykonać maksymalny wydech, usuwając z płuc objętość zapasową wydechową ERV. W czasie maksymalnego wydechu zawsze pozostaje w płucach objętość zalegająca RV. Objętość zapasowa wydechowa i objętość zalegająca łącznie tworzą pojemność zalegająca łącznie tworzą pojemność zalegającą czynnościową FRC

Po najgłębszym wydechu wykonując maksymalny wdech, wciąga się do płuc powietrz stanowiące pojemność życiową wdechową IVC. Jest ona nieco większa od pojemności życiowej VC, a wiec od ilości powietrza, które można usunąć z płuc po maksymalnym wdechu. Wykonując maksymalny wydech poprzedzony maksymalnym wdechem, przewodziki pęcherzykowe zamykają się wcześniej, zanim powietrze wypełniające pęcherzyki zostanie usunięte. Z tego względu pojemność życiowa wdechowa IVC może być większa od pojemności życiowej VC mierzonej w czasie wydechu.

Objętość zalegająca RV obejmuje powietrze znajdujące się w pęcherzykach płucnych i przewodzikach pęcherzykowych, czyli tam gdzie istnieją anatomiczne warunki do wymiany gazów.

W czasie swobodnego wdechu wprowadzane jest do dróg oddechowych około 500 ml powietrza stanowiące objętość oddechową TV. Z tej objętości powietrza wdychanego pęcherzyków płucnych dostaje się około 350 ml a pozostałe 150 ml wypełnia przestrzeń martwą anatomiczną - tworzą ją drogi oddechowe, w których nie ma warunków anatomicznych do wymiany gazów miedzy powietrzem a krwią: jama nosowa, gardło, krtań, tchawica, oskrzela i oskrzeliki.

W czasie spoczynku jest wdychane i wydychane około 8 litrów powietrza na minutę. Jest to wentylacja płuc minutowa.

W celach diagnostycznych do badania sprawności układu oddechowego stosuje się pomiar objętości powietrza wydychanego w czasie pierwszej sekundy po najgłębszym wdechu, czyli natężonej objętości wydechowej w pierwszej sekundzie FEV_1,0

DYFUZJA GAZÓW W PŁUCACH

Dyfuzja gazów przez ścianę pęcherzyków odbywa się zgodnie z gradientem prężności cząsteczek gazów.

Transport tlenu

Cząsteczki tlenu rozpuszczone w osoczu dyfundują przez otoczkę do erytrocytów i wiążą się z hemoglobiną tworząc hemoglobinę utlenowana-oksyhemoglobiną. Jedna cząsteczka hemoglobiny wiąże się z czterema cząsteczkami tlenu. Krew zawierająca oksyhemoglobinę odpływa z płuc, kierując się przez zbiornik żylny płucny, lewy przedsionek serca, lewą komorę serca, zbiornik tętniczy duży do sieci naczyń włosowatych krążenia dużego.

Transport dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla dyfundujący z tkanek do krwi przepływającej przez naczynia włosowate jest transportowany do płuc:

• Około 6% w postaci CO₂ rozpuszczonego na zasadzie rozpuszczalności fizycznej w osoczu i cytoplazmie erytrocytów

• Około 88% w postaci jonów HCO₃^- związanych przez wodorowęglanowy układ buforowy osocza i erytrocytów

• Około 6% w postaci karbaminianów, CO₂ związanego z wolnymi grupami aminowymi białek osocza i hemoglobiny.

Cząsteczki CO₂ dyfundujące z tkanek do krwi rozpuszczają się w osoczu i przenikają w tej postaci do wnętrza erytrocytów. Tam pod wpływem enzymu anhydrazy węglanowej dwutlenek węgla wiąże się z wodą i powstaje kwas węglowy. Dwutlenek węgla znajdujący się w erytrocytach wiąże się z grupami aminowymi aminokwasów, z których są zbudowane białka osocza i hemoglobina. W ten sposób tworzą się karbaminiany. Większość karbaminianów powstaje w erytrocytach po połączeniu się CO₂ z grupami aminowymi hemoglobiny.

Dyfuzja gazów w tkankach

Cząsteczki tlenu uwolnione z hemoglobiny przechodzą przez otoczkę erytrocytów do osocza, następnie przez komórki śródbłonka naczyń włosowatych do płynu międzykomórkowego i dopiero z tego płynu dyfundują przez błonę komórkową do poszczególnych tkanek.

Stopień zużycia tlenu przez poszczególne tkanki wyraża się różnicą tętniczo - żylną w zawartości tlenu. Krew tętnicza dopływającą do wszystkich tkanek ma jednakową zawartość tlenu, natomiast krew żylna może zawierać go więcej lub mniej.

REGULACJA ODDYCHANIA

Ośrodek oddechowy

Regulacja oddychania, czyli częstotliwość i głębokość oddechów odbywa się za pośrednictwem ośrodka oddechowego w rdzeniu przedłużonym. W składa tego ośrodka wchodzą dwa rodzaje neuronów tworzące dwa ośrodki o przeciwnej funkcji. Są to neurony wdechowe tworzące ośrodek wdechu (znajdują się w jądrze samotnym i w części przedniej jądra tylno-dwuznacznego nerwu błędnego) oraz ośrodek wydechu (w jądrze dwuznacznym nerwu błędnego i w części tylnej jądra tylno-dwuznacznego błędnego)

Ośrodek wdechu wysyła impulsy nerwowe do rdzenia kręgowego, do neuronów ruchowych unerwiających Miśnie wdechowe, ośrodek wydechu pobudza zaś neurony ruchowe unerwiające mięśnie wydechowe.

Ośrodek pneumotaksyczny hamuje zwrotnie ośrodek wdechu na 1-2 sekundy po czym neurony ośrodka wdechu ponownie pobudzają się i wysyłają salwę impulsów do rdzenia kręgowego. Rytmiczność oddechów związana jest z występującymi po sobie kolejno okresami pobudzania i hamowania ośrodka wdechu.

Modulacja aktywności ośrodka wdechu

Pobudzenie powstające w ośrodku wdechu jest modulowane, a więc oddechy przyspieszają się i są pogłębiane lub zwalniają się i spłycają na skutek:

• Impulsów wysyłanych przez receptory i odbieranych przez neurony wdechowe

• Zmiany wartości pH w bezpośrednim sąsiedztwie neuronów wdechowych, czyli po podrażnieniu chemodetektorów

Impulsy nerwowe modulujące aktywność neuronów ośrodka wdechu biegną od:

• Chemoreceptorów kłębuszków szyjnych i kłębków aortowych

• Interoreceptorów w tkance płucnej oraz proprioreceptorów klatki piersiowej

• Ośrodków znajdujących się w wyższych piętrach mózgowia: z kory mózgu, układu limbicznego i ośrodka termoregulacji w podwzgórzu

Chemoreceptory

Zasadniczym modulatorem aktywności ośrodka wdechu są impulsy aferentne biegnące od chemoreceptorów kłębuszków szyjnych i kłębków aortowych. Bodźcem drażniącym chemoreceptory jest nieznaczne zwiększenie ciśnienia parcjalnego CO₂ i koncentracji jonów wodorowych lub znaczne zmniejszenie ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej.

Interoreceptory i proprioreceptory

Rozciągnięcie tkanki płucnej pobudza interoreceptory - mechanoreceptory inflacyjne - znajdujące się pomiędzy mięśniami gładkimi oskrzeli i wyzwala wydech. Przeciwnie - zmniejszenie stopnia rozciągnięcia płuc w czasie wydechu pobudza inne mechanoreceptory deflacyjne i wyzwala wdech.

Wdechowe lub wydechowe ustawienie klatki piersiowej drażni odpowiednie proprioreceptory i wpływa modulująco na częstość i głębokość oddechów. Im głębszy jest wdech, tym głębszy wydech po nim następuje.

ODDYCHANIE WEWNĘTRZNE

Przemiana pośrednia w komórkach

Cząsteczki tlenu dyfundujące do wnętrza komórki wychwytywane są przez mitochondria. W obrębie błony zew mitochondriów znajdują się wszystkie enzymy cyklu Krebsa, na błonie wew. zaś enzymy łańcucha oddechowego.

Komórki czerpią energię z ATP do biosyntezy związków, do aktywnego transportu wewnątrzkomórkowego przez błony komórkowe przeciw gradientowi stężeń oraz do ruchu całej komórki.

Glikoliza

W warunkach beztlenowych z jednej cząsteczki glukozy przekształconej w mleczan powstają netto 2 cząsteczki ATP.

W warunkach tlenowych z jednej cząsteczki glukozy przekształconej do pirogronianu, który następnie zostaje rozłożony w cyklu Krebsa powstaje 38 cząsteczek ATP.

Współczynnik oddechowy

Wskazuje na stosunek objętościowy pomiędzy uwolnionym z organizmu dwutlenkiem węgla i pochłoniętym tlenem w jednostce czasu współczynik oddechowy dla węglowodanów 1,0; dla białek 0,82; dla tłuszczów 0,7.

Podstawowa przemiana materii

Mierząc zużycie tlenu przez organizm w ściśle określonych warunkach można uzyskać dane porównawcze odnoszące się o przemiany materii w organizmach różnych ludzi.

Warunki pomiaru zużycia tlenu w jednostce czasu:

• Całkowity spoczynek fizyczny i psychiczny, pozycja leżąca

• Od 12 do 14 godzin po ostatnim posiłku

• Temperatura otoczenia +20°C

Zużycie tlenu w jednostce czasu w tych warunkach wiąże się z wyzwoleniem energii dla procesów fizjologicznych niezbędnych do utrzymania człowieka przy życiu i nosi nazwę podstawowej przemiany materii BMR.

Podstawowa przemiana materii zależy od:

• Powierzchni ciała

• Wieku badanego człowieka

• Płci

Czynniki wpływające na przemianę materii

• Praca fizyczna

• Praca umysłowa i stany emocjonalne

• Niska lub wysoka temperatura otoczenia

• Zwiększenie zawartości niektórych hormonów we krwi, zwłaszcza hormonów gruczołu tarczowego i hormonów rdzenia nadnerczy

• Trawienie i przyswajanie pokarmów

---