Układ wymiany gazowej i krążenia

Transkrypt

1 Układ wymiany gazowej i krążenia

2 Układ wymiany gazowej

3 Tlenowe oddychanie komórkowe

4 Podstawowe pojęcia Wentylacja wymiana środowiska zewnętrznego powietrza przepływającego przez powierzchnie oddechowe Wymiana gazowa - oddychanie zewnętrzne sekwencja procesów, związanych z wymianą gazów oddechowych pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a komórkami Oddychanie komórkowe procesy metaboliczne dostarczające energii (w postaci ATP), zużywające O 2 a wytwarzające CO 2 zachodzące w mitochondriach

5 Etapy wymiany gazowej Przepływ powietrza przez powierzchnie respiracyjne (nabłonek oddechowy płuc) Dyfuzja gazów oddechowych przez te powierzchnie Transport tych gazów w układzie krwionośnym Dyfuzja O 2 do i CO 2 z tkanek Oddychanie komórkowe

6 Uwaga! Gazy oddechowe przemieszczają się przez bariery międzykomórkowe Wyłącznie na drodze dyfuzji!

7 Prawo dyfuzji Ficka: dq / dt = D x A x dc / dx gdzie: dq/dt szybkość dyfuzji czyli ilość substancji poruszającej się w jednostce czasu (mol/sec) D współczynnik dyfuzji świadczący o łatwości dyfuzji danej substancji w danym środowisku (cm2/sec) A powierzchnia dyfuzji (cm2) dc/dx gradient (różnica) stężeń w jednostce odległości

8 Prawo dyfuzji Ficka: SZYBKOŚĆ DYFUZJI jest wprost proporcjonalna do: współczynnika dyfuzji wielkości powierzchni gradientu energetycznego a odwrotnie proporcjonalna do odległości

9 Prawo dyfuzji Ficka: Gradient dc/dx lepiej określa gradient energetyczny, związany z różnicą stężeń, ładunku elektrycznego, temperatury lub ciśnienia W odniesieniu do gazów stosuje się gradient (różnicę) ciśnień, od którego zależą takie właściwości gazów, jak: rozpuszczalność, dyfuzja, wchodzenie w reakcje chemiczne

10 Prawo dyfuzji Ficka: Dlatego powierzchnie wymiany gazowej są: cienkie (dobrze przepuszczalne dla gazów) duże (o znacznym stopniu rozwinięcia) obficie unaczynione (dobrze zaopatrzone w naczynia krwionośne) wilgotne (pokryte wodą lub surfaktantem)

11 Właściwości fizyczne powietrza Właściwość Powietrze (20 o C) Wsp. dyfuzji O 2 (m 2 /sec x 10-9 ) Wsp. dyfuzji CO 2 (m 2 /sec x 10-9 ) Rozpuszczalność O 2 (ml/l) 1000 Rozpuszczalność CO 2 (ml/l) 1000 Stężenie O 2 (mm) ciśn. 1 atm 8.7 Stężenie CO 2 (mm) ciśn. 1 atm 0.01 Gęstość (kg/m 3 ) 1.2 Lepkość (poise x 10-2 ) 0.02

12 Powierzchnie wymiany gazowej Szybkość dyfuzji jest: - wprost proporcjonalna do współczynnika dyfuzji, wielkości powierzchni, gradientu energetycznego, - a odwrotnie proporcjonalna do odległości przepływ nośnika gazów powierzchnia oddechowa przepływ nośnika gazów powierzchnia oddechowa powierzchnia oddechowa przepływ nośnika gazów przepływ krwi przepływ krwi przepływ krwi nośnik gazów nośnik gazów powietrze stężenie O 2 krew stężenie O 2 krew stężenie O 2 krew odległość odległość odległość

13 Strategia wymiany oddechowej Dyfuzja gazów poprzez wyspecjalizowane powierzchnie wymiany gazowej połączone z układem transportu gazów Płuca (wpuklenie)

14 Jak zmaksymalizować wychwyt O2 Optymalizacja wymiany gazów Zwiększenie powinowactwa hemoglobiny do tlenu Zwiększenie hematokrytu

15 Mechanizm przeciwprądowy przepływ nośnika gazów powierzchnia oddechowa przepływ krwi przepływ nośnika gazów powierzchnia oddechowa przepływ krwi powierzchnia oddechowa przepływ krwi przepływ nośnika gazów nośnik gazów nośnik gazów powietrze stężenie O 2 krew stężenie O 2 krew stężenie O 2 krew odległość odległość odległość przepływ zgodny z prądem przepływ przeciwprądowy przepływ krzyżowy

16 Kręgowce ssaki Płuca pęcherzykowe bardzo rozbudowana powierzchnia Otoczone opłucną otwór nosowy oskrzela płuca przepona naczynia włosowate płuc światło pęcherzyka płucnego otwór gębowy tchawica oskrzeliki pęcherzyki płucne makrofag płucny komórka wytwarzająca surfaktant

17 Pęcherzyki płucne

18 Surfaktant Składa się z lipoprotein Obniża napięcie powierzchniowe w pęcherzykach płucnych; Ułatwia napełnianie się pęcherzyków płucnych powietrzem poprzez zwiększenie ich rozciągliwości U ludzi powstaje w końcowym etapie rozwoju embrionalnego

19 Przestrzeń martwa Przestrzeń martwa objętość gazów, która nie bierze udział w wymianie oddechowej Dwie składowe Anatomiczna przestrzeń martwa objętość tchawicy i oskrzeli Pęcherzykowa przestrzeń martwa objętość pęcherzyków płucnych, które nie są ukrwione Figure 10.27

20 Regulacja wymiany oddechowej Ośrodki oddechowe w rdzeniu przedłużonym regulacja somatomotoryczna mięśni miedzyżebrowych i przepony

21 Regulacja wymiany oddechowej Chemoreceptory znajdują się w rdzeniu przedłużonym i głównych naczyniach tętniczych Chemoreceptory reagują na zmiany stężenia CO 2, H +, and O 2 O2 organizmy wodne; CO2 organizmy lądowe

22 Regulacja oddychania

23 Regulacja oddychania

24 Regulacja wymiany oddechowej Autonomiczny układ nerwowy; przywspółczulny układ nerwowy (acetylocholina) powoduje skurcz mięśni gładkich oskrzelików zmniejszenie przepływu powietrza Histamina; skurcz mięśni gładkich oskrzelików w np. w reakcjach alergicznych Adrenalina; rozkurcz mięśni gładkich oskrzelików

25 Człowiek

26 GÓRNE DROGI ODDECHOWE nagłośnia nozdrza jama nosowa krtań głośnia tchawica

27 DOLNE DROGI ODDECHOWE oskrzela oskrzeliki płuco przepona żyłka płucna tętniczka płucna pęcherzyk płucny sieć kapilar

28 MIĘŚNIE ODDECHOWE mięśnie międzyżebrowe zewnętrzne mięśnie międzyżebrowe wewnętrzne wyrostek mieczykowaty przełyk aorta przepona

29 WDECH i WYDECH ruch klatki piersiowej powierzte powierzte ruch klatki piersiowej W D E C H W Y D E C H opłucna przepona przepona

30

31 Pomiar normalnych wskaźników wentylacji płuc

32 Układ krążenia

33 Układ krążenia

34 Ciśnienie a szybkość przepływu krwi Ciśnienie = szybkość przepływu Przyczyną spadku szybkości przepływu krwi w naczyniach nie jest spadek ciśnienia! Czynnikiem decydującym o szybkości jest suma przekrojów poprzecznych wszystkich naczyń na tym samym odcinku układu

35 Fizyka cieczy Q = ΔP R R = 8Lη πr 4 Gdzie: Q przepływ krwi P ciśnienie krwi R opór układu Q = ΔP πr 8Lη 4 Gdzie: L długość naczynia η lepkość krwi r promień naczynia

36 Siła i opór Siłą napędową krążenia jest różnica ciśnień krwi U człowieka: 120mmHg 70mmHg = 50mmHg Krew natrafia na opór, zależny od: przekroju naczyń liczby i kąta rozgałęzień długości naczyń lepkości krwi Q = ΔP πr 8Lη 4

37 Budowa naczyń krwionośnych żyły tętnice naczynia włosowate

38 Autoregulacja mięśniowa Mechanizm sprzężenia zwrotnego pozwalającego zachować przepływ krwi do tkanek na stałym poziomie

39 Budowa naczyń włosowatych Podstawową funkcją naczyń włosowatych jest wymiana związków chemicznych między krwią a płynem tkankowym śródbłonek ciągły mięśnie, ścięgna, krezka, jądra, jajniki, skóra, ośrodkowy ukł. nerwowy, płuca, nerki śródbłonek okienkowy błona śluzowa jamy ustnej i nosowej, trzustka, gruczoły wydzielania wewnętrznego, jelita śródbłonek o budowie nieciągłej zatoki szpiku kostnego, śledziona, wątroba

40 Filtracja i resorpcja FILTRACJA RESORPCJA P kap: 36 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 36 3 = 33 mmhg Δπ : = 15 mmhg P kap: 15 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 15 3 = 12 mmhg Δπ : = 15 mmhg P początkowe: = 18 mmhg P końcowe: = - 3 mmhg

41 Filtracja i resorpcja wzrost ciśnienia krwi P kap: 46 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 46 3 = 43 mmhg Δπ : = 15 mmhg P kap: 25 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 25 3 = 22 mmhg Δπ : = 15 mmhg P początkowe: = 28 mmhg P końcowe: = 7 mmhg FILTRACJA BRAK RESORPCJI!!! powstanie obrzęku

42 Powiązanie układu krwionośnego i limfatycznego

43 Naczynia żylne Krew płynąca w żyłach podlega: ciśnieniu hydrostatycznemu, malejącemu wraz z oddalaniem się od naczyń włosowatych działanie od tyłu siłom ssącym klatki piersiowej (w czasie wdechów) i serca działanie od przodu siłom uciskającym mięśni szkieletowych działanie z boku

44 Regulacja przedwłośniczkowa

45 Regulacja krążenia

46 Czynniki humoralne Głównym czynnikiem decydującym o dopływie krwi do poszczególnych tkanek jest ich stan fizjologiczny ZWĘŻENIE NACZYŃ ROZSZERZENIE NACZYŃ SUBSTANCJA ŹRÓDŁO TYP DZIAŁANIA endotelina śródbłonek naczyń parakrynowe prostacykliny uszkodzone tkanki parakrynowe substancja P uszkodzone tkanki parakrynowe serotonina płytki krwi parakrynowe wazopresyna przysadka endokrynowe angiotensyna II osocze endokrynowe CO 2 różne tkanki metaboliczne H + różne tkanki metaboliczne K + różne tkanki metaboliczne NO śródbłonek naczyń parakrynowe histamina komórki tuczne parakrynowe adrenalina rdzeń nadnerczy endokrynowe bradykinina różne komórki parakrynowe

47 Regulacja nerwowa

48 Baroreceptory

49 Regulacja układu krążenia ciśnienie tętnicze pojemność minutowa serca całkowity opór układu tętno objętość wyrzutowa serca ciśnienie rozkurczowe Wszystkie ilustracje: MAP ciśnienie tętnicze TRP całkowity opór układu CO pojemność minutowa serca SV objętość wyrzutowa serca HR częstotliwość pracy serca EDV ciśnienie rozkurczowe

50 Krew

51 Rodzaje płynów w organizmie Płyn międzykomórkowy (płyn tkankowy) opływający każdą komórkę ciała, stanowiący środowisko zewnętrzne dla komórek ciała Krew płyn krążący po zamkniętym układzie krążenia Limfa płyn krążący po układzie limfatycznym u kręgowców

52 Skład krwi osocze (ok. 55%) leukocyty i płytki krwi (ok. 1%) erytrocyty (ok. 44%) wirowanie surowica skrzep krwi

53 Podstawowe funkcje krwi Transportowa - gazy - składniki odżywcze - metabolity - hormony Regulacyjna - temperatura - ph - objętości krwi Ochronna - krzepnięcie - odporność

54 Skład krwi - osocze Woda (ok. 92%) Białka albuminy; globuliny; fibrynogen Lipidy obojętne; fosfolipidy; wolne kwasy tłuszczowe cholesterol (wolny i estry) Lipoproteiny (HDL, IDL, LDL, VLDL) Inne składniki organiczne cukry i produkty ich przemiany produkty przemiany białkowej produkty przemiany hemu produkty przemian wewnątrzkomórkowych Jony nieorganiczne (Na +, Cl -, HCO 3- )

55 Skład krwi - elementy morfotyczne Erytrocyty Leukocyty erytrocyty neutrofil bazofil limfocyty (T i B) monocyty limfocyt eozynofil granulocyty obojętnochłonne monocyt kwasochłonne zasadochłonne Trombocyty trombocyty

56 Transport gazów oddechowych płuca CO 2 O 2 O 2 CO 2 płuca / skrzela narządy

57 CIŚNIENIE PARCJALNE GAZÓW ODDECHOWYCH W RÓŻNYCH PRZEDZIAŁACH ORGANIZMU

58 Wymiana gazowa

59 Transport gazów oddechowych Hemoglobina Mioglobina 1 łańcuch globiny Hemoglobina płodowa (F) 2 łańcuchy alfa 2 łańcuchy gamma

60 Transport gazów oddechowych Hemoglobina 4 łańcuch białka (globiny) 4 grupy hemu 4 atomy żelaza

61 Krzywa wysycenia Hb a temperatura procent wysycenia hemoglobiny O 2

62 Czynniki wpływające na wysycenie Hb tlenem procent wysycenia hemoglobiny O 2 ciśnienie parcjalne O 2 [kpa] DPG 2,3-difosfoglicerynian, stabilizuje nieutlenowaną Hb, powstaje podczas niedoboru O 2,

63 Transport CO 2 (tkanki) komórki płyn tkankowy (rozpuszczony w osoczu) ANHYDRAZA WĘGLANOWA erytrocyt KARBAMINI AN Hb łączy się z białkami osocza Cl trans porto wany z białk ami (rozpuszczony w osoczu) osocze

64 Transport CO 2 (płuca) pęcherzyk (rozpuszczony w osoczu) ANHYDRAZA WĘGLANOWA KARBAMINI AN Hb Cl trans porto wany z białk ami (rozpuszczony w osoczu) osocze