Układ wymiany gazowej i krążenia

Układ wymiany gazowej

Tlenowe oddychanie komórkowe

Podstawowe pojęcia Wentylacja wymiana środowiska zewnętrznego (wody lub 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

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

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

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

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

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

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)

Właściwości fizyczne wody i powietrza Właściwość Powietrze (20 o C) Woda (20 o C) Stosunek P : W Wsp. dyfuzji O 2 (m 2 /sec x 10-9 ) 20 300 2.1 10 000 : 1 Wsp. dyfuzji CO 2 (m 2 /sec x 10-9 ) 16 000 1.8 10 000 : 1 Rozpuszczalność O 2 (ml/l) 1000 33.1 30 : 1 Rozpuszczalność CO 2 (ml/l) 1000 930 1 Stężenie O 2 (mm) ciśn. 1 atm 8.7 0.3 30 : 1 Stężenie CO 2 (mm) ciśn. 1 atm 0.01 0.01 1 Gęstość (kg/m 3 ) 1.2 998 1 : 800 Lepkość (poise x 10-2 ) 0.02 1 1 : 50

Strategie wymiany oddechowej Krążenie środowiska zewnętrznego wokół/poprzez organizm Krążenie środowiska zewnętrznego wokół/poprzez organizm połączone z układem transportu gazów Dyfuzja gazów poprzez wyspecjalizowane powierzchnie wymiany gazowej połączone z układem transportu gazów 1. Skrzela (wynicowanie) 2. Płuca (wpuklenie)

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

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

Ewolucja układu oddechowego Dostosowanie układu wymiany gazowej do środowiska zewnętrznego Rozwój powierzchni wymiany oddechowej

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

Pęcherzyki płucne

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

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

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

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

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

Regulacja oddychania

Człowiek

GÓRNE DROGI ODDECHOWE nagłośnia nozdrza jama nosowa krtań głośnia tchawica

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

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

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

Pomiar normalnych wskaźników wentylacji płuc

Układ krążenia

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

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

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

Budowa naczyń krwionośnych żyły tętnice naczynia włosowate

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

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

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 : 25 10 = 15 mmhg P kap: 15 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 15 3 = 12 mmhg Δπ : 25 10 = 15 mmhg P początkowe: 33 15 = 18 mmhg P końcowe: 12 15 = - 3 mmhg

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 : 25 10 = 15 mmhg P kap: 25 mmhg π kap: 25 mmhg P tk: 3 mmhg π tk: 10 mmhg ΔP: 25 3 = 22 mmhg Δπ : 25 10 = 15 mmhg P początkowe: 43 15 = 28 mmhg P końcowe: 22 15 = 7 mmhg FILTRACJA BRAK RESORPCJI!!! powstanie obrzęku

Powiązanie układu krwionośnego i limfatycznego

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

Regulacja przedwłośniczkowa

Regulacja krążenia

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

Regulacja nerwowa

Baroreceptory

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

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 Hemolimfa płyn krążący po otwartym układzie krążenia

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

Podstawowe funkcje krwi Transport substancji pokarmowych produktów przemiany materii gazów hormonów komórek odpornościowych ciepła Transmisja mocy np. szkielet hydropneumatyczny u owadów Krzepnięcie

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- )

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

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

CIŚNIENIE PARCJALNE GAZÓW ODDECHOWYCH W RÓŻNYCH PRZEDZIAŁACH ORGANIZMU

Wymiana gazowa

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

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

Transport CO2

Krzywe wiązania O2 i CO2

CIŚNIENIE PARCJALNE GAZU Ciśnienie mieszaniny gazów jest sumą ciśnień cząstkowych (parcjalnych) wywieranych przez każdy gaz oddzielnie, dlatego na ciśnienie atmosferyczne powietrza w ok. 4/5 składa się ciśnienie N 2 a ciśnienie O 2 stanowi mniej niż 1/5 Ilość gazu, rozpuszczającego się w cieczy jest wprost proporcjonalna do jego ciśnienia parcjalnego i rozpuszczalności a odwrotnie do temperatury

Warunki ekstremalne Wysokość nad poziomem morza im wyżej tym mniejsze ciśnienie parcjalne tlenu Nurkowanie wzrost ciśnienia otaczającego organizm

Nurkowanie

Wysokość nad poziom morza

Hipoksja na wysokości