Fyziologie dýchání. Živé organismy potřebují k pokrytí svých energetických

Transkript

1 Fyziologie dýchání Úvod Živé organismy potřebují k pokrytí svých energetických nároků neustálý přísun energie Tuto energii získávají oxidací živin Spotřebovává se kyslík Uvolňuje se oxid uhličitý Tyto plyny difundují u jednobuněčných organismů volně ve směru svých koncentračních gradientů U větších organismů jsou difúzní vzdálenosti příliš velké a výměna plynů by neprobíhala dostatečně efektivně Transport dýchacích plynů zajišťuje u člověka Oběhový systém Respirační systém 1

2 Fyziologie dýchání zahrnuje: Výměnu plynů mezi okolní atmosférou a plícemi VENTILACE Výměnu dýchacích plynů mezi alveolárním vzduchem a krví DIFÚZE Transport dýchacích plynů mezi plícemi a tkáněmi ě TRANSPORT O 2 CO 2 Mechanismy říz hladiny kyslíku a oxidu uhličitého v krvi - REGULACE Anatomie dýchacího sytému Anatomické členění Vývodový oddíl nosní dutina epitel dýchacích cest přechod víceřadého dlaždicového rohovějícího epitelu bohaté cévní zásob zvlhč, ohřívání a čištění vzduchu paranasální dutiny nasopharynx, larynx epitel dýchacích cest trachea dlouhá cm. Lehce posunuta k pravé straně, dělí se na hlavní pravý a levý bronchus bronchiální strom lobární bronchy segmentální bronchy subsegmentální bronchy terminální bronchioly Respirační oddíl alveoly 2

3 Paranasální dutiny Trachea Prstence chrupavky tvaru C Epitel dýchacích cest Seromucinózní žlázky 3

4 Bronchy/bronchioly (<5 mm) větší bronchy se skádají: - z chrupavky a hladkého svalstva - řasinkového epitelu - žlázek secernujících hlen - endokrinních buněk (např. serotonin) menší bronchy a bronchioly: neobsahují chrupavky ani svalovou vrstvu Epitel postupně kubický jednovrstevný Clarovy buňky N chrupavka, žlázy ani lymfatické uzlíky Velké množství elastických vláken, hladká svalovina (spasmus!!) Epitel dýchacích cest Víceřadý cylindrický i s řasinkami cylindrické bb. s řasinkami mucinózní pohárkové bb. kartáčové bb. bazální bb. malé granulované bb. (DNES) Vícevrstevný dlaždicový epitel 4

5 Funkce řasinkového epitelu Funkce řasinkového epitelu, obranné reflexy Představuje důležitý obranný mechanismus Každá buňka obsahuje cca 200 řasinek, které se pohybují při frekvenci 1000/ min v organizovaných vlnách kontrakce Hlen, který obsahuje makrofágy, buněčný detritus, inhalované částice a bakterie, je řasinkami posunován směrem k laryngu rychlostí 1.5 cm/min ( mukociliární eskalátor ) Apnoický reflex zástava dechu nastává při čichovém podráždění silně dráždivými látkami Kýchání reflex vyvolaný drážděním receptorů nosní sliznice Kašel reflex napomáhající udržovat volně průchodné dýchací cesty Alveoly Alveoly Bronchioly se finálně v acinech rozvětvují na respirační bronchioly, které mají alveoly l Každý respirační bronchiolus zásobuje cca 200 alveolů prostřednictvím alveolárních duktů 300 miliónů v každé plíci. Jejich celkový povrch m2 Epiteliální výstelka se skládá zejména z pneumocytů I. typu. Ty mají extrémně ztenčenou cytoplasmu, takže představují jen velmi tenkou bariéru pro výměnu plynů. Jsou odvozeny z pneumocytů II. typu Pneumocyty II. typu jsou o něco početnější, ale pokrývají menší část epiteliální vystelky, tvoří surfaktant Makrofagy Alveolární stabilita Povrchově napětí alveolů vede k jejich tendenci se kolabovat Pneumocyty typu II secernují surfaktant, který redukuje povrchové napětí 5

6 Pleura a bránice Pleura je vrstva pojivové tkáně pokrytá jednoduchým dlaždicovým epitelem - mesothelem parietální a viscerální list viscerální pleura pokrývá povrch plic a v plicních hilech se spojuje s parietální pleurou, která vystýlá vnitřek hrudníku pleurální dutina Obsahuje liquor pleurae - malé množství tekutiny mezi oběma pleurami, umožňuje skluzný pohyb Bránice je v hrudní dutině krytá perietální pleurou, v dutině břišní peritoneem její svalová vlákna se upínají na spodní žebra a spojují se do centrální šlachy 50% svalových vláken je typu s pomalým záškubem s nízkou glykolytickou kapacitou, jsou relativně odolné vůči únavě 6

7 Ventilace plic Výměnu vzduchu umožňuje proudění vzduchu ve směru tlakových gradientů Vzduch se v dýchacích cestách zbavuje většiny nečistot Bariéra infekce (lymfatický (y systém) Úprava teploty vzduchu Hlasové vazy se proudem vydechovaného vzduchu rozechvívají - hlas Statické objemy plic Při klidném dýchání se v plicích vymění jedním dechem asi 0,5l vzduchu (dechový objem) Součástí dechového objemu je mrtvý prostor (objem vzduchu až po terminální bronchioly) Nepodílí se na výměně plynů py ml Může být zvýšen o alveoly neúčastnící se výměny plynů (funkční mrtvý prostor) 7

8 Statické objemy plic Po klidném výdechu je možno vydechnout ještě asi 1,1l vzduchu exspirační rezervní objem (ERV) Po ukonč klidného nádechu je možno vdechnout ještě asi 3l vzduchu inspirační rezervní objem (IRV) Po maximální exspiraci nejsou plíce prázdné, obsahují ještě asi 1,2l vzduchu reziduální objem Statické plicní kapacity Vitální kapacita (VC) je součet dechového objemu a inspiračního i č a exspiračního č rezervního objemu (VC= Vt+IRV+ERV) Celková vitální kapacita (TLC) je součtem vitální kapacity a reziduálního objemu (TLC=VC+RV=IRV+Vt+ERV+RV Funkční reziduální kapacita (FRC) je množství vzduchu, které zůstane v plicích po skonč klidného exspiria (FRC=ERV+RV) 8

9 Dynamické plicní objemy Objemy vzduchu, kterými jsou plíce ventilovány za časovou jednotku Minutová ventilace (Ve) je množství vzduchu vydechnuté z plic za minutu (Ve=VT.f) V klidu je Ve asi 8l/min Maximální minutová ventilace (MVV) je největší množství vzduchu, které může být v plicích vyměněno (z plic vydýcháno) za minutu Normálně je l/min Jednovteřinová vitální kapacita (FEV1) je maximální množství vzduchu vydechnuté za 1 vteřinu, vyjádřené jako podíl vitální kapacity 9

10 FEV1 Mechanismus ventilace plic Vlivem elastického napětí vytvářejí plíce tzv.retrakční sílu (RS), která směřuje k hilu Je kompenzována silou, která je způsobena pružností hrudníku a směřuje na opačnou stranu Tak vzniká mezi plící a hrudní stěnou (interpleurální štěrbina) proti atmosférickému tlaku podtlak Interpleurální tlak (Ppl) je po klidném výdechu asi o 4mmHg nižší než atmosférický tlak Rovnováha mezi RS a pružností hrudníku se bez aktivní účasti dýchacích svalů ustaví v klidové exspirační poloze (v plících je FRC) 10

11 Inspirium Činnost dýchacích svalů (bránice 60%) Hrudní dutina se rozšiřuje Ppl se stává více negativním (oproti klidové poloze) Vzduch je nasáván z okolní atmosféry ve směru svého tlakového gradientu Proudění vzduchu trvá dokud se neustanoví rovnováha mezi tlakem v plících a atmosférickým tlakem (tj. RS a silami rozepínajícími hrudník) Aktivní děj Exspirium Po ochabnutí inspiračních svalů se rovnováha opět poruší RS je nyní větší než síly rozepínající hrudník Tlak v plících je vyšší než tlak atmosférický Vzduch po tlakovém gradientu proudí z plic do okolní atmosféry Pasivní děj (při klidném výdechu) Rovnováha se ustanoví opět v klidové exspirační poloze 11

12 12

13 Vztah mezi změnami tlaku, průtoku a objemy plic Elasticita plic určuje hodnotu plicní poddajnosti COMPLIANCE (C) Compliance udává velikost objemové změny plic v závislosti na změně tlaku C=V/P Difúze Kyslík ze vzduchu pokračuje k aleveolo- kapilární membráně, přes kterou difunduje Oxid uhličitý difunduje opačným směrem Slož alveolárního vzduchu je relativně stabilní (po ukonč exspiria zůstává v alveolech 2,5l vzduchu, 350ml atmosferického vzduchu nezpůsobí velkou změnu) 13

14 Výměna dýchacích plynů Alveolo-kapilární membrána (bariéra) Krev plicních kapilárách (čerpána ze systémových žil) má nízký parciální tlak kyslíku (40 mmhg) a vysoký parciální tlak oxidu uhličitého (46 mmhg) Difuze velmi rychlá, v plicních žílach tlaky již identické s alveolární vzduchem Difuze 14

15 Transport dýchacích plynů Dospělý člověk spotřebuje průměrně asi 0,25l kyslíku a vytvoří asi 0,2l oxidu uhličitého za minutu Při maximální zátěži mohou tyto objemy stoupnout až 15x Při tělesné teplotě a parciálním tlaku 100mmHg se v jednom litru vody rozpustí cca. 3ml kyslíku (srdce by muselo čerpat asi 80l krve za minutu v klidu) Normálně srdce čerpá asi 5l/min Transport kyslíku krví Transportní kapacita krve zvýšena hemoglobinem(hb) 1g Hb váže 1,34 ml kyslíku V krvi 150g/l Hb Transportní kapacita krve asi 200ml/l 1 litr arteriální krve obsahuje asi: 3ml fyzikálně rozpuštěného kyslíku 197 ml kyslíku vázaného na Hb 200 ml kyslíku celkem Je-li srdeční výdej 5l/min nabízí se tkáním 5x200=1000ml kyslíku za minutu 15

16 Transport kyslíku krví Množství kyslíku fyzikálně rozpuštěného v arteriální krvi je úměrné parciálnímu tlaku O 2 v alveolech Množství transportovaného kyslíku závisí na množství Hb Hemoglobin Bílkovina s kvartérní strukturou skládající se z: Bílkovinné části globin Nebílkovinné části protoporfyrinové jádro, železo Ontogeneticky vysoce konzervovaná molekula, vyskytující se již u živočichu mnohem jednodušších než člověk Mr = g/l, pohlavní dimorfismus Podtypy hemoglobinu Embryonální Fetální Adultní Deriváty hemoglobinu Cyanmethemoglobin Karbonylhemoglobin Karboxyhemoglobin 16

17 Disociační křivka hemoglobinu pro kyslík Molekula hemoglobinu (Hb) vykazuje alosterický efekt Závislost saturace Hb na parciálním tlaku kyslíku n lineární a má esovitý průběh Molekula Hb má 4 vazebná místa pro molekulu kyslíku Každá navázaná molekula kyslíku facilituje vazbu molekuly další, to znamená že nejvyšší afinitu ke kyslíku má Hb s 3 navázanými molekulami kyslíku Disociační křivka hemoglobinu pro kyslík Křivka má v zásadě tři fáze Oblast plato funguje jako nárazník, udržující Hb dostatečně saturovaný i při značném poklesu parciálního tlaku kyslíku v atmosferickém vzduchu Ve strmé oblasti křivky se i minimální pokles parciálního tlaku kyslíku projeví prudkým poklesem saturace Hb s následným áldý zhroucm oxidačního idč metabolismu Saturace Hb kyslíkem je za fyziologických podmínek cca 97% 17

18 Faktory ovlivňující vazebnou křivku Teplota Se zvyšující se teplotou klesá afinita Hb ke kyslíku (vyšší teplota tkání usnadňuje uvolnění kyslíku) Fetální Hb Vyšší afinitu ke kyslíku (sytí se při nižším parciálním tlaku) Oxid uhelnatý 300x vyšší afinitu než kyslík, otravy Transport CO 2 krví Fyzikálně rozpuštěný Navázaný na bílkoviny Jako HCO - 3 Arteriální krev přitékající do tkáňových kapilár ma parciální tlak CO 2 40 mmhg V buňkách okolních tkání je parciální tlak 2 vyšší, a proto fyzikálně rozpuštěný difunduje po tlakovém gradientu do kapilár CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 = HCO H + (karboanhydráza v Ery zrychluje reakci x) Ery membrána je propustná pro HCO 3- ten difunduje do plazmy Ery membrána málo propustná pro kationty difuze pouze aniontu by vedla ke vzniku opačně orientovaného elektrického gradientu a tok by se zastavil Proto jsou HCO 3- směnovány za Cl - Hamburgerův shift (chloridový posun) 18

19 Část CO 2 se váže aminoskupiny Hb: Hb-NH 2 + CO 2 =Hb-NHCO 2 + H + Karbaminohemoglobin Arteriální krev přitékající do tkáňových kapilár má parciální tlak CO 2 asi 40 mmhg a ve tkáních se nasytí v průměru na 46 mmhg 12% fyzikálně rozpuštěný 11% karbaminohemoglobin 27% bikarbonát v Ery 50% bikarbonát v plazmě 19

20 Regulace dýchání Soulad mezi metabolickými potřebami a ventilací plic Centrální rytmogeneze dýchání Centrum v prodloužené míše (noeud vital) Několik skupin buněk v mozkovém kmeni Protětí nad mostem spontánní dýchání přetrvává Protětí pod mostem zástava dýchání Mezi poruchy dechu Apneusis - křecovitá inspirace přerušovaná krátkými výdechy Gasping - křečovitá exspirace přerušovaná krátkými nádechy Vliv oxidu uhličitého a ph na dýchání Vzestup tlaku oxidu uhličitého hyperkapnie vede k vzestupu minutové ventilace plic Vzestup parciálního tlaku ze 40 mmhg na 60 mmhg způsobuje 10x zvýš ventilace Stoupne-li přes 70 mmhg inhibují se dechová centra Centrální chemoreceptory nereagují na změny CO 2, ale na jím vyvolané změny ph Periferní reagují jak na CO 2, O 2, tak ph 20