Sistem pernapasan: struktur dan operasi

Sistem pernapasan manusia terdiri dari saluran pernapasan (atas dan bawah) dan paru-paru. Sistem pernapasan bertanggung jawab atas pertukaran gas antara organisme dan lingkungan. Bagaimana sistem pernapasan dibangun dan bagaimana cara kerjanya?

Sistem pernafasan manusia seharusnya memungkinkan respirasi - proses pertukaran gas, yaitu oksigen dan karbondioksida, antara organisme dan lingkungan. Setiap sel dalam tubuh kita membutuhkan oksigen untuk berfungsi dengan baik dan menghasilkan energi. Proses pernapasan dibagi menjadi:

• respirasi eksternal - suplai oksigen ke sel
• respirasi internal - intraseluler

Respirasi eksternal terjadi karena sinkronisasi sistem pernapasan dengan pusat saraf dan dibagi menjadi beberapa proses:

• ventilasi paru
• difusi gas antara udara alveolar dan darah
• transportasi gas melalui darah
• difusi gas antara darah dan sel

Untuk melihat video ini, harap aktifkan JavaScript, dan pertimbangkan untuk meningkatkan versi ke browser web yang mendukung video HTML5

Struktur sistem pernapasan

Saluran pernafasan terdiri dari:

• saluran pernapasan bagian atas, yaitu rongga hidung (cavum kami) dan tenggorokan (tekak)
• saluran pernapasan bagian bawah: laring (pangkal tenggorokan), trakea (batang tenggorok), bronkus (bronkus) - kanan dan kiri, yang selanjutnya dibagi menjadi cabang-cabang yang lebih kecil, dan yang terkecil berubah menjadi bronkiolus (bronchioli)

Bagian terakhir dari saluran udara mengarah ke alveoli (alveoli pulmonales). Udara yang dihirup melewati saluran pernapasan dan dibersihkan dari debu, bakteri dan kotoran kecil lainnya, dilembabkan dan dihangatkan. Di sisi lain, struktur bronkus, melalui kombinasi tulang rawan, elemen otot elastis dan polos, memungkinkan Anda menyesuaikan diameternya. Tenggorokan adalah tempat sistem pernapasan dan pencernaan berpotongan. Untuk alasan ini, saat menelan, pernapasan berhenti dan jalan napas tertutup melalui epiglotis.

• paru-paru - organ berpasangan yang terletak di dada.

Dilihat dari aspek anatomis dan fungsional, paru-paru dibagi menjadi dua lobus (paru kiri menjadi dua, dan kanan menjadi tiga), lobus dibagi lagi menjadi segmen, segmen menjadi lobulus, dan lobulus menjadi cluster.

Setiap paru-paru dikelilingi oleh dua lapisan jaringan ikat - pleura parietal (pleura parietalis) dan pleura paru (pleura pulmonalis). Di antara mereka ada rongga pleura (cavum pleurae), dan cairan di dalamnya memungkinkan adhesi paru-paru yang ditutupi oleh pleura paru ke pleura parietal yang menyatu dengan dinding bagian dalam dada.Di tempat di mana bronkus masuk ke paru-paru, ada rongga paru, di mana selain bronkus, juga arteri dan vena pulmonalis.
Selain itu, otot lurik rangka, darah dan sistem kardiovaskular serta pusat saraf terlibat dalam proses pernapasan yang rumit.

Ventilasi paru-paru

Inti dari ventilasi adalah menarik udara atmosfer ke dalam alveoli. Karena udara selalu mengalir dari tekanan yang lebih tinggi ke tekanan yang lebih rendah, kelompok otot yang sesuai berpartisipasi dalam setiap pernafasan dan pernafasan, memungkinkan terjadinya gerakan hisap dan tekanan pada dada.

Pada akhir pernafasan, tekanan di alveoli sama dengan tekanan atmosfer, tetapi saat Anda menarik udara, diafragma berkontraksi (diafragma) dan otot interkostal eksternal (musculi intercostales externi), berkat volume dada yang meningkat dan menciptakan ruang hampa yang menyedot udara.

Ketika kebutuhan ventilasi meningkat, otot inspirasi tambahan diaktifkan: otot sternokleidomastoid (musculi sternocleidomastoidei), otot dada (musculi pectorales minores), otot bergigi anterior (musculi serrati anteriores), otot trapezius (musculi trapezia), otot skapula levator (musculi levatores scapulae), otot jajaran genjang lebih besar dan lebih kecil (musculi rhomboidei maiores et minores) dan otot miring (musculi bergabung).

Langkah selanjutnya adalah menghembuskan napas. Ini dimulai ketika otot inspirasi mengendur di puncak pernafasan. Biasanya ini adalah proses pasif, karena gaya yang dihasilkan oleh elemen elastis yang diregangkan di jaringan paru-paru cukup untuk mengecilkan volume dada. Tekanan alveolar naik di atas atmosfer dan perbedaan tekanan yang dihasilkan membuang udara ke luar.

Situasinya sedikit berbeda saat menghembuskan napas dengan kuat. Kita mengatasinya ketika ritme pernapasan lambat, ketika pernafasan perlu mengatasi peningkatan hambatan pernapasan, misalnya pada beberapa penyakit paru-paru, tetapi juga dalam aktivitas fonasi, terutama saat bernyanyi atau bermain alat musik tiup. Motoneuron otot ekspirasi dirangsang, yang meliputi: otot interkostal internal (musculi intercostales interni) dan otot-otot dinding perut anterior, terutama rektus perut (musculi recti abdominis).

Tingkat pernapasan

Kecepatan pernapasan sangat bervariasi dan bergantung pada banyak faktor yang berbeda. Orang dewasa yang beristirahat harus bernapas 7-20 kali per menit. Faktor-faktor yang menyebabkan peningkatan laju pernapasan, secara teknis dikenal sebagai takipnea, termasuk olahraga, kondisi paru-paru, dan gangguan pernapasan ekstrapulmonal. Di sisi lain, bradypnoea, yaitu penurunan jumlah napas yang signifikan, dapat disebabkan oleh penyakit neurologis atau efek samping sentral dari obat-obatan narkotika. Anak-anak berbeda dari orang dewasa dalam hal ini: semakin kecil balita, semakin tinggi laju pernapasan fisiologis.

Volume dan kapasitas paru-paru

• TLC (kapasitas paru total) - volume yang ada di paru-paru setelah napas terdalam
• IC - kapasitas inspirasi - ditarik ke paru-paru selama penghirupan paling dalam setelah pernafasan yang tenang
• IRV (volume cadangan inspirasi) - volume cadangan inspirasi - ditarik ke paru-paru selama penghirupan maksimum dilakukan di bagian atas inspirasi bebas
• TV (volume tidal) - volume tidal - dihirup dan dihembuskan sambil menghirup dan menghembuskan napas dengan bebas
• FRC - kapasitas residu fungsional - tetap berada di paru-paru setelah pernafasan yang lambat
• ERV (volume cadangan ekspirasi) - volume cadangan ekspirasi - dikeluarkan dari paru-paru selama pernafasan maksimum setelah penghirupan bebas
• RV (volume sisa) - volume sisa - tetap berada di paru-paru selama pernafasan maksimum
• VC (kapasitas vital) - kapasitas vital - dikeluarkan dari paru-paru setelah inspirasi maksimum pada ekspirasi maksimum
• IVC (kapasitas vital inspirasi) - kapasitas vital yang dihirup - ditarik ke dalam paru-paru setelah pernafasan terdalam dengan penghirupan maksimum; mungkin sedikit lebih tinggi dari VC karena pada pernafasan maksimal diikuti dengan pernafasan maksimal, konduktor alveolar menutup sebelum udara yang mengisi gelembung dihilangkan

Dengan inspirasi bebas, volume tidal adalah 500 mL. Namun, tidak semua volume ini mencapai alveoli. Sekitar 150 mL mengisi saluran pernafasan, yang tidak memiliki kondisi untuk pertukaran gas antara udara dan darah, yaitu rongga hidung, tenggorokan, laring, trakea, bronkus dan bronkiolus. Ini disebut ruang mati pernapasan anatomis. 350 mL sisanya dicampur dengan udara yang merupakan kapasitas fungsional sisa, dipanaskan dan dijenuhkan secara bersamaan dengan uap air. Di alveoli, sekali lagi, tidak semua udara berbentuk gas. Di kapiler dinding beberapa folikel, tidak ada atau terlalu sedikit darah yang mengalir untuk menggunakan semua udara untuk pertukaran gas. Ini adalah ruang mati pernapasan fisiologis dan kecil pada orang sehat. Sayangnya, ini dapat meningkat secara signifikan pada keadaan penyakit.

Laju respirasi rata-rata saat istirahat adalah 16 per menit, dan volume tidal 500 mL, mengalikan kedua nilai ini, didapatkan ventilasi paru. Dari sini dapat disimpulkan bahwa sekitar 8 liter udara dihirup dan dihembuskan per menit. Saat melakukan pernapasan cepat dan dalam, nilainya dapat meningkat secara signifikan, bahkan dari selusin menjadi dua puluh kali lipat.

Semua parameter rumit ini: kapasitas dan volume diperkenalkan tidak hanya untuk membingungkan kita, tetapi juga memiliki aplikasi yang signifikan dalam diagnosis penyakit paru. Ada tes - spirometri, yang mengukur: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV dan IRV. Ini penting untuk diagnosis dan pemantauan penyakit seperti asma dan COPD.

Difusi gas antara udara alveolar dan darah

Alveoli adalah struktur dasar yang menyusun paru-paru. Ada sekitar 300-500 juta di antaranya, masing-masing dengan diameter 0,15 hingga 0,6 mm, dan luas totalnya dari 50 hingga 90 m².

Dinding folikel dibangun oleh epitel tipis, datar, dan berlapis tunggal. Selain sel yang membentuk epitel, folikel mengandung dua jenis sel lain: makrofag (sel usus) dan juga sel folikel tipe II yang menghasilkan surfaktan. Ini adalah campuran protein, fosfolipid, dan karbohidrat yang dihasilkan dari asam lemak darah. Surfaktan, dengan mengurangi tegangan permukaan, mencegah alveoli saling menempel dan mengurangi kekuatan yang diperlukan untuk meregangkan paru-paru. Dari luar, gelembung-gelembung itu ditutupi jaringan kapiler. Kapiler yang masuk ke alveoli membawa darah yang kaya akan karbon dioksida, air, tetapi dengan sedikit oksigen. Sebaliknya, di udara alveolar, tekanan parsial oksigen tinggi dan karbon dioksida rendah. Difusi gas mengikuti gradien tekanan molekul gas, sehingga eritrosit kapiler memerangkap oksigen dari udara dan membuang karbon dioksida. Partikel gas harus melewati dinding alveolar dan dinding kapiler, dan lebih tepatnya melalui: lapisan fluida yang menutupi permukaan alveolar, epitel alveolar, membran basal, dan endotel kapiler.

Pengangkutan gas melalui darah

• transportasi oksigen

Pertama, oksigen larut secara fisik dalam plasma, tetapi kemudian berdifusi melalui selubung ke dalam sel darah merah, di mana ia mengikat hemoglobin untuk membentuk oksihemoglobin (hemoglobin beroksigen). Hemoglobin memegang peranan yang sangat penting dalam pengangkutan oksigen, karena setiap molekulnya bergabung dengan 4 molekul oksigen, sehingga meningkatkan kemampuan darah untuk mengangkut oksigen hingga 70 kali lipat. Jumlah oksigen yang terangkut terlarut dalam plasma sangat kecil sehingga tidak relevan dengan respirasi. Berkat sistem peredaran darah, darah yang jenuh dengan oksigen mencapai setiap sel tubuh.

• transportasi karbon dioksida

Karbon dioksida dari jaringan memasuki kapiler dan diangkut ke paru-paru:

• sekitar 6% secara fisik terlarut dalam plasma dan dalam sitoplasma eritrosit
• sekitar 6% terikat pada gugus amino bebas protein plasma dan hemoglobin (sebagai karbamat)
• mayoritas, yaitu sekitar 88%, sebagai ion HCO3 - terikat oleh sistem penyangga bikarbonat plasma dan eritrosit

Difusi gas antara darah dan sel

Sekali lagi, molekul gas di jaringan melewati gradien tekanan: oksigen yang dilepaskan dari hemoglobin berdifusi ke dalam jaringan, sementara karbon dioksida berdifusi ke arah yang berlawanan - dari sel ke plasma. Karena perbedaan kebutuhan oksigen dari berbagai jaringan, ada juga perbedaan dalam tekanan oksigen. Pada jaringan dengan metabolisme intensif, tekanan oksigen rendah, sehingga mereka mengkonsumsi lebih banyak oksigen, sedangkan aliran darah vena mengandung lebih sedikit oksigen dan lebih banyak karbon dioksida. Perbedaan arteriovenous dalam kandungan oksigen merupakan parameter yang menentukan derajat konsumsi oksigen oleh jaringan. Setiap jaringan disuplai dengan darah arteri dengan kandungan oksigen yang sama, sedangkan darah vena mungkin mengandung lebih banyak atau lebih sedikit.

Pernapasan internal

Pernapasan pada tingkat sel adalah proses biokimia bertingkat yang melibatkan oksidasi senyawa organik yang menghasilkan energi yang berguna secara biologis. Ini adalah proses fundamental yang terjadi bahkan ketika proses metabolisme lain dihentikan (proses alternatif anaerobik tidak efisien dan kepentingannya terbatas).

Peran kunci dimainkan oleh mitokondria - organel seluler, yang menerima molekul oksigen yang berdifusi di dalam sel. Pada membran luar mitokondria terdapat semua enzim dari Siklus Krebs (atau siklus asam trikarboksilat), sedangkan pada membran dalam terdapat enzim dari rantai pernafasan.

Dalam siklus Krebs, metabolit gula, protein, dan lemak dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air dengan pelepasan atom hidrogen atau elektron bebas. Selanjutnya dalam rantai pernapasan - tahap terakhir dari respirasi intraseluler - dengan mentransfer elektron dan proton ke pembawa yang berurutan, senyawa fosfor berenergi tinggi disintesis. Yang paling penting dari mereka adalah ATP, yaitu adenosine-5′-triphosphate, pembawa energi kimia universal yang digunakan dalam metabolisme sel. Ini dikonsumsi oleh banyak enzim dalam proses seperti biosintesis, pergerakan dan pembelahan sel. Pemrosesan ATP pada organisme hidup terus menerus dan diperkirakan bahwa setiap hari manusia mengubah jumlah ATP yang sebanding dengan berat tubuhnya.

Regulasi pernapasan

Dalam inti yang diperpanjang terdapat pusat pernapasan yang mengatur frekuensi dan kedalaman pernapasan. Ini terdiri dari dua pusat dengan fungsi berlawanan, dibangun oleh dua jenis neuron. Keduanya terletak di dalam formasi retikuler. Di nukleus soliter dan di bagian anterior saraf vagus ambigu posterior adalah pusat inspirasi, yang mengirimkan impuls saraf ke sumsum tulang belakang, ke neuron motorik dari otot inspirasi. Sebaliknya, di nukleus ambigu saraf vagus dan di bagian posterior saraf vagus ambigu posterior, terdapat pusat pernafasan yang merangsang neuron motorik dari otot ekspirasi.

Neuron dari pusat inspirasi mengirimkan serangkaian impuls saraf beberapa kali dalam satu menit, yang berjalan di sepanjang cabang turun ke neuron motorik di sumsum tulang belakang dan pada saat yang sama ketika cabang akson naik ke neuron dari formasi retikuler jembatan. Terdapat pusat pneumotaksik yang menghambat pusat inspirasi selama 1-2 detik dan kemudian pusat inspirasi tersebut terangsang kembali. Berkat periode stimulasi dan penghambatan pusat inspirasi yang berturut-turut, ritme napas dipastikan.
Pusat inspirasi diatur oleh impuls saraf yang timbul di:

• kemoreseptor glomerulus serviks dan aorta, yang merespons peningkatan konsentrasi karbon dioksida, konsentrasi ion hidrogen atau penurunan signifikan konsentrasi oksigen arteri; impuls dari gumpalan aorta berjalan melalui saraf glossopharyngeal dan vagus. dan efeknya adalah untuk mempercepat dan memperdalam pernafasan
• interoreseptor jaringan paru-paru dan proprioreceptors toraks;
• ada mekanoreseptor inflasi antara otot polos bronkus, mereka dirangsang oleh peregangan jaringan paru-paru, yang memicu pernafasan; kemudian mengurangi peregangan jaringan paru-paru selama pernafasan, mengaktifkan mekanoreseptor lain, kali ini deflasi, yang memicu inspirasi; Fenomena ini disebut refleks Hering-Breuer;
• Posisi inspirasi atau ekspirasi dada mengganggu masing-masing proprioreceptors dan mengubah frekuensi dan kedalaman napas: semakin dalam menghirup, semakin dalam pernafasan yang mengikutinya;
• pusat tingkat atas otak: korteks serebral, sistem limbik, pusat termoregulasi di hipotalamus