Fysiologian tenttitärppien lisäpöytäkirja Cursus Peteri Dens Cursus Halonen syksy 2008 1
Sisältö 3 - Keuhkoverenkierto 4 - Sukupuolen määräytyminen 4 - Epäilen 55-vuotiaan miehen rasituksessa ilmaantuvan huimauksen johtuvan sydämestä. Mitä kliinis-fysiologisia tutkimuksia valitsen jatkoselvittelyissä ja miksi? 5 - Miten voisit selvittää toimiiko potilaan glukokortikoidierityksen säätely normaalisti? 5 - Neste- ja suolatasapainon endokriininen säätely 6 - Muistin eri tyypit, rakenteellinen sijainti ja oppimisen molekulaariset mekanismit 7 - Hypotalamuksen tehtävät 7 - Iso ja pieni verenkierto: mitä eroa ja mitä yhteistä? 8 - Spirometria: miten se suoritetaan, mitä toimintahäiriöitä se paljastaa ja luettele tavallisia sairauksia, joiden diagnostiikassa se on keskeinen? 9 - Sydämen sopeutuminen fyysisen kuormituksen muutoksiin 10 - Kuvaa hapenkuljetuksen päävaiheet elimistössä ja millä kliinis-fysiologisilla tutkimusmenetelmillä näitä vaiheita voidaan tutkia? 11 - Vertaile munuaisputkiston eri osissa tapahtuvia takaisinottomekanismeja toisiinsa 12 - Kuvaa keuhkojen toiminta happo-emästasapainon säätelyssä. Miten toiminnan häiriöt vaikuttavat happo-emästasapainoon ja miten elimistö pyrkii korjaamaan häiriön? 13 - Solujen väliset viestintämekanismit elimistössä 16 - Miten keuhkotoiminnan tapahtumia tutkitaan ja millaisia häiriötiloja paljastuu spirometrialla, diffuusiokapasiteettimittauksella ja oksimetrialla? 17 - Miten eri tyyppiset lihastyöt kuormittavat elimistöä? 19 - Fyysiseen ponnisteluun liittyvä huimaus ja pyörrytys/mitä verenkierrosta johtuvia syitä voi olla huimauksen ja pyörrytyksen syynä? Mitä kliinis-fysiologisia tutkimuksia voidaan käyttää diagnostiikan apuna ja mitä huimauksen syitä niillä voidaan selvittää? 20 - Verenkierron elinkohtaiset ominaispiirteet 2
Keuhkoverenkierto Keuhkoverenkierron elintärkeä tehtävä on hiilidioksidin luovuttaminen laskimoverestä uloshengitysilmaan ja hapen ottaminen sisäänhengitysilmasta valtimovereen. Keuhkolaskimot ovat myös tärkeä verivarasto venyvyytensä vuoksi. Makuulla ihmisen keuhkojen veritilavuus lisääntyy jopa 400 ml. Kahta pientä poikkeusta lukuun ottamatta kaikki vasemmasta kammiosta pumpattu veri palaa oikeaan eteiseen ja pumpataan oikeasta kammiosta keuhkoihin. Bronkiaaliveren virtaus on ensimmäinen poikkeus. Rinta-aortasta haarautuu keuhkoputkiston hapentarpeesta huolehtivia pienempiä valtimoita. Näiden bronkiaalikapillaarien ja keuhkokapillaarien välillä olevien anastomoosien vuoksi osa keuhkoputken alueen verestä päätyy keuhkokapillaareihin ohittaen oikean kammion. Toinen poikkeus on veri, joka virtaa sepelvaltimoista sydämen vasemmalle puolelle. Tämän takia systeemisen verenkierron valtimoissa on vähän alhaisempi hapen osapaine kuin keuhkoverenkierron palaavassa veressä. Keuhkovaltimon ja sen laajimpien haarojen seinämät ovat vain n. 30% aortan seinämän paksuudesta. Keuhkoverenkierron pienemmät verisuonet ovat endoteeliputkia, joiden seinämissä on suhteellisen vähän sileää lihasta. Kapillaarit ovat laajoja ja niissä on paljon anastomooseja, jotka ympäröivät alveoleja. Painegradientti keuhkoverenkierrossa on n. 7 mmhg kun se systeemisessä verenkierrossa on 90 mmhg. Noin 15 mmhg:n sisäänpäin-suuntautunut painegradientti pitää alveolit vapaana nesteestä lukuunottamatta ohutta nestekalvoa. Jos keuhkokapillaarien paine nousee yli 25 mmhg:n, esim. vasemman kammion vajaatoiminnassa, ilmenee keuhkoverekkyyttä ja turvotusta. Jos taas keuhkoverenkierron paine laskee tai alveolaaripaine nousee, osa kapillaareista painuu kasaan. Veritilavuus keuhkosuonissa on noin 1 litra ja tästä vähemmän kuin 100 ml on kapillaareissa. Virtausnopeudesta voitaneen sanoa, että keuhkoverenkierron suurissa valtimoissa ja laskimoissa virtausnopeus on lähellä systeemisen verenkierron vastaavia ja kapillaareissa verenvirtaus on hyvin hidasta. Painovoimalla on suhteellisen merkittävä vaikutus keuhkoverenkiertoon. Koska keuhkoverenkierrossa on matala verenpaine, ruumiin asento vaikuttaa hydrostaattisen paineen välityksellä keuhkojen verenkierron jakautumiseen. Keuhkojen yläosissa verenvirtaus on vähäisempää, alveolit ovat laajempia ja ventilaatio on vähäisempää kuin keuhkojen alaosissa. On epävarmaa säädelläänkö keuhkoverisuonia erikseen. Kuitenkin keuhkolaskimoiden supistuessa keuhkokapillaaripaine kasvaa ja keuhkovaltimoiden supistuessa sydämen oikean puolen kuormitus kasvaa. Keuhkosuonia hermottaa laaja sympaattinen hermosto ja suonet vastaavat myös joihinkin veressä kiertäviin aineisiin. Monet laajentavista vaikutuksista riippuvat endoteelista ja ovat tekemisissä NO:n vapautumisen kanssa. Passiivisilla tekijöillä kuten sydämen minuuttitilavuudella ja painovoimalla on myös merkittävä vaikutus verenvirtaukseen keuhkoissa. 3
Sukupuolen määräytyminen Hedelmöityksen hetkellä siittiö tuo munasoluun 22 autosomia sekä sukupuolikromosomin X tai Y. Munasolussa on jo valmiiksi odottamassa toiset 22 autosomia sekä sukupuolikromosomi X. Näin ollen sikiö saa kromosomikoostumuksekseen joko 44+XX tai 44+XY. Kaksi äksää saadessaan sikiö alkaa kehittyä tytöksi, yyn ja äksän yhdistelmä johtaa pojan kehittymiseen. Raskauden alussa ei voi erottaa, kuuluvatko sikiön sukurauhaset tytölle vai pojalle. Munasarjojen kehittyminen tyttösikiöllä alkaa noin yhdeksännellä raskausviikolla - samaan aikaan poikasikiön kiveksissä voidaan jo erottaa Sertolin ja Leydigin soluja. Sukurauhaset alkavat tuottaa hormoneja, jotka ovat välttämättömiä sukupuolikehitykselle. Leydigin solut tuottavat testosteronia ja Sertolin solut Anti-Müllerin hormonia. Testosteroni johtaa Wolffin tiehyiden jatkokehitykseen ja Anti-Müllerin hormoni puolestaan surkastuttaa Müllerin tiehyet. Munasarjoista ei erity Anti-Müllerin hormonia, jolloin Müllerin tiehyt erikoistuu. Tyttösikiön testosteronitasot ovat niin vähäiset, että Wolffin tiehyt surkastuu. Poikien sisemmät sukupuolielinten osat, kuten vaikkapa siemenjohdin siis kehittyvät Wolffin tiehyistä. Tytöillä Müllerin tiehyistä kehittyvät kohtu, munanjohtimet sekä emättimen yläosa. Tytön ulkoiset genitaalit kehittyvät ilman hormonivaikutusta, pojilla peniksen ja kivespussien kehitystä ohjailee dihydrotestosteroni (DHT). Näin määräytyy siis lapsen genitaalisukupuoli normaalitilanteissa. Häiriöitäkin esiintyy, ja ne johtavatkin usein hieman tavallisesta poikkeavaan ulkoasuun. Jo anatomian kurssilla tutuksi tehty Turnerin syndrooma on yksi esimerkki tällaisesta häiriöstä. Siinä sikiöllä on vain yksi sukupuolikromosomi (X0). Toisaalta esimerkiksi testosteronituotannon häiriöt voivat aiheuttaa vaikeuksia poikasikiön sukupuolikehityksessä. Yleensä genitaalisukupuoli sama kuin henkilön psykososiaalinen sukupuoli. Esimerkiksi henkilöt, joilla on penis, kokevat itsensä hyvin usein miehiksi. Tästä on etua myös lisääntymistilanteessa. Epäilen 55-vuotiaan miehen rasituksessa ilmaantuvan huimauksen johtuvan sydämestä. Mitä kliinis-fysiologisia tutkimuksia valitsen jatkoselvittelyissä ja miksi? Yleisimpiä huimauksen syitä ovat neurologisista syistä johtuva huimaus, kuten hyvänlaatuinen asentohuimaus, jonka syynä on sisäkorvan tasapainoelimen toimintahäiriö. Huimaus voi johtua myös sydänperäisistä syistä. Esimerkiksi TIA eli ohimenevä aivoverenkiertohäiriö voi johtua sydämen toiminnan häiriöstä (esim. sydänperäisestä emboliasta). Yksi TIA:n tyyppioireista on huimaus yhdessä aivorunko- tai pikkuaivoperäisten oireiden (kaksoiskuvat, nielemisvaikeus, puutuminen ja pareesi toispuoleisena tai kaikissa raajoissa) kanssa.sydämen rytmihäiriöt ja kova 4
fyysinen rasitus voivat aiheuttaa huimausta, kun aivot eivät saa tarpeeksi verta. Liian alhaiseen verenpaineeseen liittyvä huimaus taas on pahimmillaan aamulla ja aterioiden jälkeen. Huimauksen syyn selvittämiseksi voidaan tehdä EKG-tutkimus ja tutkia verestä perusverenkuva ja senkka. Korvalääkäriä, neurologia tai kardiologia voidaan konsultoida tarvittaessa. Miten voisit selvittää toimiiko potilaan glukokortikoidierityksen säätely normaalisti? Kortisoli on ihmisellä lisämunuaisen kuorikerroksen tuottamista glukokortikoideista tärkein. Sen eritystä säätelee aivolisäkkeen etulohkon tuottama kortikotropiini (ACTH), ja kortisoli ehkäisee ACTH:n eritystä negatiivisen palautevaikutuksen kautta. ACTH:n tuotantoa stimuloivat hypotalamuksen kortikotropiinia vapauttava hormoni (CRH). Kortisolilla on selvä vuorokausirytmi: tasot ovat suurimmillaan aikaisin aamulla ja pienimmillään myöhään illalla. Myös ACTH:n eritys vaihtelee saman kaavan mukaan. ACTH:n erityksen häiriötiloissa normaali eritysrytmi usein häiriintyy, mikä vaikuttaa myös kortisolin eritykseen. Kortisolin eritys lisääntyy herkästi stressin vaikutuksesta. Normaalisti suurin osa kortisolista metaboloidaan maksassa ja vain pieni osa muuttumatonta kortisolia erittyy virtsaan. Voimakkaasti lisääntyneen kortisolituotannon yhteydessä kuitenkin transkortiinin (=kortisolin kuljettajaproteiini) sitomiskapasiteetti voi ylittyä, ja tällöin virtsaan erittyy huomattavia määriä vapaata kortisolia. Yksi tapa tutkia kortisolituotantoa on mitata veren ACTH-pitoisuus. Esimerkiksi lisämunuaiskasvaimet ja Addisonin tauti voivat aiheuttaa normaalista poikkeavaa ACTH:n eritystä. Myös kortikotropiinia vapauttavan hormonin (CRH) tasoa voidaan mitata plasmasta. Testien avulla voidaan muun muassa selvittää, onko erityshäiriö aivolisäke- vai lisämunuaisperäinen. Neste- ja suolatasapainon endokriininen säätely Reniini-angiotensiini-aldosteroni-järjestelmä (RAA) on verenpainetta ja nestetasapainoa säätelevä hormonijärjestelmä. Reniini on munuaisten jukstaglomerulaarisolujen tuottama proteolyytinen entsyymi. Reniinin eritystä säätelee munuaisten sisäinen verenpaine ja kehon suolamäärä. Reniinin erityksen seurauksena angiotensinogeenista syntyy angiotensiini I ja edelleen angiotensiinia konvertoivan entsyymin (keuhkojen ACE) toiminnan seurauksena angiotensiini II. Angiotensiini II supistaa verisuonia, jolloin verenpaine kohoaa. Angiotensiini stimuloi myös aldosteronin erittymistä lisämunuaiskuoresta. Aldosteroni on yksi mineralokortikoideista ja se on tärkeä elimistön suolatasapainon säätelyssä. Aldosteroni säätelee suolojen, natriumin ja kaliumin, kuljetusta solukalvojen läpi munuaisissa. Se kiihdyttää natriumin takaisinimeytymistä elimistöön munuaisten kokoojaputkissa ja siitä seurauksena kaliumin 5
eritys virtsaan lisääntyy. Aldosteroni sitoo natriumia elimistöön ja samalla elimistön nestevolyymi pyrkii suurenemaan. RAA-järjestelmän liiallinen aktiivisuus voi johtaa muun muassa liian korkeaan verenpaineeseen. Plasman osmolaliteettia säädellään hypotalamuksen osmoreseptorien ja aivolisäkkeen takalohkon antidiureettisen hormonin (ADH) kautta, joka vaikuttaa veden eritykseen munuaisissa. Kun elimistö haluaa säästää vettä, ADH:n eritys lisääntyy. Tämä johtaa veden lisääntyneeseen retentioon distaalisissa tubuluksissa ja kokoojaputkissa (vaikutus välittyy akvaporiini 2:n kautta). Hormonit vaikuttavat epäsuorasti nestetasapainoon myös janontunteen kautta. Esimerkiksi angiotensiini II ja ADH aiheuttavat janontunnetta. Muistin eri tyypit, rakenteellinen sijainti ja oppimisen molekulaariset mekanismit Muisti voidaan jakaa lyhytkestoiseen, pitkäkestoiseen sekä sensoriseen muistiin. Pitkäkestoinen muisti jaetaan edelleen tietoiseen ja tiedostomattomaan osaan. Tietoisen muistin alayksikköjä ovat semanttinen muisti eli tietomuisti (käsittelee yleistietoa ja käsitteitä), ja episodinen muisti, johon sisältyy henkilön omaelämänkerta. Episodinen muisti on osana myös identiteetin rakentumisessa ja kronologisessa ajattelussa. Tiedostomattomaan muistiin sen sijaan kuuluu proseduraalinen muisti eli taitomuisti. Sen avulla muistetaan esimerkiksi motorisia sarjoja (esim. uimataito). Pitkäkestoisen muistin osat sijaitsevat pääosin ohimolohkon alueella ja siihen lisäksi siihen liittyvät muun muassa aivokuori, talamus ja pikkuaivot. Lyhytkestoisen muistin (=työmuisti) kapasiteetti on hyvin rajallinen, sen ajallinen kesto on n. 20s. Se käsittelee aistien tuomaa informaatiota ja sen on tarpeellinen käsillä olevan tehtävän suorittamiseksi. Myös tietoinen ajatteleminen tapahtuu työmuistin avulla. Lyhytkestoisesta muistista siirtyy tarpeellista tietoa kapasiteetiltaan rajattomaan pitkäkestoiseen muistiin. Työmuisti sijaitsee pääosin otsalohkojen sisimmillä alueilla ja hippokampuksessa. Työmuistiin liittyvät auditiivis-verbaalinen muisti (kielellinen muistaminen) ja visuospatiaalinen muisti (näkömuisti). Lyhytkestoiseen muistiin kuuluu keskusyksikkö, jonka avulla informaatio jakautuu työmuistin osiin. Keskusyksikkö auttaa tiedon jäsentelyssä sekä sen siirtämisessä pitkäkestoiseen muistiin. Keskusyksikkö sijaitsee prefrontaalikorteksissa. Sensorinen muisti on aistitiedon ensimmäinen säilytyspaikka. Se ei muokkaa informaatiota. Sensorisen muistin kesto on erittäin lyhyt, mutta sen kapasiteetti on valtava. Sensorisesta muistista tieto kulkee työmuistin keskusyksikköön. Solutasolla oppiminen tapahtuu pitkäkestoisen voimistumisen avulla. Kun ärsyke toistuu riittävän usein, synapsi herkistyy vähitellen. Usein toistuvan stimuluksen tuloksena synapsin toiminta ja rakenne muuttuvat (muun muassa postsynaptisen hermon solukalvo). Mitä useammin ärsyke toistuu, sen voimakkaampi muistijälki syntyy. 6
Hypotalamuksen tehtävät Hypotalamus toimii linkkinä keskushermoston ja endokriinisen toiminnan välillä. Monet hypotalamuksen säätelymekanismeista välittyvätkin juuri endokriinisesti. Hypotalamus toimii tiiviissä yhteistyössä aivolisäkkeen kanssa. Aivolisäkkeen etulohkon hormonien eritystä hypotalamus säätelee endokriinisesti vapauttajahormonien (liberiinit) ja estäjähormonien (statiinit) avulla. Hypotalamus ja aivolisäkkeen etulohko ovat yhteydessä toisiinsa verenkierron välityksellä. Esimerkiksi pituuskasvua hypotalamus ohjailee erittämällä tarpeen mukaan joko somatoliberiiniä tai somatostatiinia. Somatoliberiini lisää aivolisäkkeen etulohkossa somatotropiinin eli kasvuhormonin eritystä somatostatiini toimii päinvastoin. Kasvuhormonin lisäksi hypotalamus vaikuttaa muihinkin aivolisäkkeen etulohkon hormoneihin: kortikotropiiniin, tyrotropiiniin, prolaktiiniin, lutropiiniin ja follitropiiniin. Näiden hormonien vaikutukset näkyvät monissa kehon toiminnoissa, kuten aineenvaihdunnassa ja seksuaalisessa käyttäytymisessä. Liberiinien erityksessä on vaihtelua vuorokauden ajan mukaan, ja näin hypotalamus osallistuu vuorokausirytmin säätelyyn. Aivolisäkkeen takalohkon hormonien eritystä hypotalamus säätelee neuraalisesti. Aivolisäkkeen takalohkon erittämät hormonit (ADH ja oksitosiini) valmistetaan hypotalamuksessa ja kuljetetaan aivolisäkkeen takalohkoon aksoneita pitkin. Perillä hormoneita varastoidaan ja eritetään verenkiertoon sitten tarpeen mukaan. Hypotalamus sisältää niin nälkä- ja janokeskuksen kuin kylläisyyskeskuksenkin ja osallistuukin nautittavan ravinnon määrän säätelyyn. Myös lämmönsäätely tapahtuu hypotalamuksessa. Autonomisen hermoston ja sitä mukaan puolustusreaktioiden (fight or flight) säätely on myös osa hypotalamuksen toimintaa. Iso ja pieni verenkierto: mitä eroa ja mitä yhteistä? Iso verenkierto eli systeeminen verenkierto on verenkierron se osa, joka alkaa vasemmasta sydänpuoliskosta, jatkuu aorttaa ja pienempiä valtimoita myöten lähes kaikkialla kehossa oleviin hiussuoniin ja edelleen pienten laskimoiden ja lopuksi onttolaskimoiden kautta sydämen oikeaan eteiseen. Isossa verenkierrossa veri on aluksi hapekasta ja lopuksi vähä happista, lisäksi veri saa mukaansa hiilidoksidia. Pieni verenkierto eli keuhkoverenkierto on verenkierron se osa, joka alkaa oikeasta sydänpuoliskosta, jatkuu keuhkovaltimorungon ja keuhkovaltimoiden kautta keuhkojen hiussuoniin ja edelleen keuhkolaskimoiden kautta sydämen vasempaan eteiseen. Veri menee keuhkoihin saamaan happea ja luovuttamaan hiilidioksidia. Valtimot ja laskimot ovat ohutseinäisiä, 7
sileälihassäikeitä on vähemmän kuin isossa verenkierrossa ja kapillaarisuonet ovat laajana verkkona. verenpaine on suurempi ison verenkierron valtimoissa kuin pienen verenkierron valtimoissa ison verenkierron laskimopaluuta auttavat laskimoläpät isossa ja pienessä verenkierrossa kulkee sama verimäärä pieni verenkierto toimii synkronisesti ison verenkierron kanssa keuhkosuonten veritilavus n. 1litra pienen verenkierron painegradientti 7mmHg ja ison verenkierron 90mmHg Spirometria: miten se suoritetaan, mitä toimintahäiriöitä se paljastaa ja luettele tavallisia sairauksia, joiden diagnostiikassa se on keskeinen? Spirometrialla tarkoitetaan keuhkojen hengityskapasiteetin mittaamista. Siinä määritetään hengitystilavuuksia ja virtauksia. Spirometrian staattisessa osa-alueessa keskitytään hengitykseen liittyviin ilmatilavuuksiin ja dynaamisessa virtausnopeuksiin. Spirometria on keskeinen menetelmä hengityselinten sairauksien diagnostiikassa ja häiriön laadun selvittämisessä. Spirometriassa mitattavia suureita ovat vitaalikapasiteetti (VC) eli ilmatilavuus joka voidaan puhaltaa ulos keuhkoista maksimaalisen uloshengityksen jälkeen. Se koostuu normaalin uloshengitystilavuuden lisäksi sisään- ja uloshengityksen varatilavuuksista. Kehkojen koknaistilavuus(tlc) voidaan määrittää vitaalikapasiteetin perusteella arvioimalla jäännöstilavuus jota ei voida puhaltaa ulos. Sekunttitilavuus ( FEV) kertoo 1 sekunnin aikana uloshengitetyn ilman määrän maksimaalisen sisäänhengityksen jälkeen ja se ilmoitetaan usein suhteessa vitaalikapasiteettiin (FEV%) Uloshengityksen huippuvirtaus (PEF) on spirometriassa mitattava, tärkeä dynaaminen arvo. Spirometriassa henkilö vetää useamman kerran kauhkonsa täyteen ilmaa ja puhaltaa ulostulevaa ilmaa mittaavaan laitteeseen, spirometriin. Nykyisillä laitteilla voidaan mitata sekä tilavuus- että virtaussignaali; saadaan kokonaisvaltainen kuva hengitysdynamiikasta ja puhallusvoimasta. Tulokset suhteutetaan henkilön ikään, sukupuoleen ja kokoon. Oikea puhallustekniikka ja asento vaaditaan luotettavan mittauksen aikaansaamiseksi. Tuloksia verrataan henkilölle ominaisiin viitearvoihin. Spirometriatutkimus kertoo toimiiko ventilaatio normaalilla tavalla ja pääseekö ilma virtaamaan hengitysteissä normaalisti. Hengityksen dynamiikassa on tärkeää että keuhkot ja rintakehä laajenevat sisäänhengitysvaiheessa aiheuttaen ilman sisään virtaukseen johtavan alipaineen. Kaasujen vaihdossa myös uloshengitysvaihe on tärkeä, eli keuhkojen 8
tulee tyhjentyä sisäänhengityksten välissä. Hengitysteiden tulee olla riittävän tilavat ja niiden seinämien elastiset ilmavirtauksen turvaamiseksi. Ventilaatiosairaudet jaetaan obstruktiivisiin eli ahtaumatyyppisiin ja restriktiivisiin eli estymätyyppisiin. Ahtaumatyyppisistä keskeisimpiä ovat astma, keuhkojen laajentuma, keuhkoahtaumatauti ja krooninen kauhkoputkentulehdus. Niissä ilman maksimaalinen virtausnopeus laskee, eli PEF arvoa voidaan hyödyntää diagnostiikassa. Estymätyyppisissä häiriöissä keuhkojen ja rintakehän liikkuvuus on rajoittunut, mikä vaikuttaa ilmatilavuuksiin. Tällaisia sairauksia ovat mm. keuhkofibroosi, hengityslihastenhäiriöt ja pleuraneste. Sydämen sopeutuminen fyysisen kuormituksen muutoksiin Lyhyellä aikavälillä: Sydämen supistusvoiman säätelyssä fyysiseen rasitukseen nähden avainasemassa on solunsisäisen kalsiumin säätely. Kannattaa kerrata kontraktiilinen elementti, cicr, pre ja afterload jne. Sydän pystyy lyhyellä aikavälillä hermostosta riippumatta sopeutumaan hemodynaamisiin muutoksiin: sydämen supistusvoima kasvaa Frank-Starling käppyrän mukaan täyttöpaineen kasvaessa eli sydän sopeutuu lyhyellä aikavälillä hyvin pumpattavan verimäärän muutoksiin. Tämä toimii ilmeisesti siksi, että kontraktiilisen elementin komponentit osuvat paremmin kohdalleen ja kalsium herkkyys kasvaa venytyksen seurauksena. Eteisten kuormituksen lisääntyessä sydän erittää myös natriureettisia peptidejä verenkiertoon, jotka ääreisvastusta pienentämällä vähentävät seuraavan syklin preloadia. Kertaa mekanismi. Pitkällä aikavälillä: Sydänlihassolut sopeutuvat pitkäkestoiseen rasituksen kasvuun luustolihassolujen tapaan kasvamalla kokoa (hypertrofia, ei plasia). Näin tapahtuu patologisesti esimerkiksi afterloadin eli pumppausvastuksen kasvaessa hypertensiossa. Hypertrofia voi olla seurausta myös kontraktiilisen elementin osia (myosin heavy chain, tropomyosin jne) tai mm. aktiinia koodaavien geenien mutaatioista: sydämen supistusvoima laskee ja se pyritään paikkaamaan hypertrofialla. Sydämen hypertrofia on herkkä seuraus monille stimuluksille esim urheilijan sydän on beningi muutos sydämen toimiessa kauttaaltaan tehokkaammin, kun taas hypertension seurauksena syntyneen hypertrofioituneen sydänlihaksen funktio on heikentynyt entisestään ja alttiimpi komplikaatioille. Urheilijan sydämessä energiantuotto, SR ja kontraktiilisen elementin funktio ovat tehostuneet, kun taas maladaptiivisessa hypertrofiassa johtuminen on hidastunut ( rytmihäiriöherkkyys), kontraktiilinen elementti heikentynyt SR:n toiminnan heikkenemisen myötä. Lisäksi on hyvä mainita, että urheilijan sydän on reversiibeli muutos toisin kuin huonolaatuinen hypertrofia. 9
Tässä voisi myös puhua ns hypertrofiamarkkereista (natriureettiset peptidit, immediate earlygeenit jne), joiden ekspressio lisääntyy hypertrofiassa ja joita voidaan käyttää varhaisessa diagnosoinnissa. Kuvaa hapenkuljetuksen päävaiheet elimistössä ja millä kliinis-fysiologisilla tutkimusmenetelmillä näitä vaiheita voidaan tutkia? Hapenkuljetus on keuhkojen ja verenkiertoelimistön, eli verisuonten ja sydämen, tiivistä yhteistoimintaa. Keuhkot keräävät sisäänhengityksessä happea ilman mukana ja verenkierto nappaa happimolekyylit tästä keuhkojen sisältämästä sisäänhengitysilmasta. Verenkierto kuljettaa happimolekyylit pientä verenkiertoa pitkin sydämen vasempaan eteiseen ja täältä hapekas veri kulkee kammioon. Sydän pumppaa veren periferiaan aortan kautta. Periferiassa veri luovuttaa happea kudoksille, ja näin solut kykenevät ylläpitämään normaalitoimintojaan kuten energian tuotantoa. Koska happi on huonosti vesiliukoinen aine, tulee sillä olla veressä kantajaproteiini, joka takaa kudosten tarpeeksi tehokkaan hapensaannin. Tänä kuljettajana toimii veren punasoluissa oleva hemoglobiini. Happea kuitenkin liukenee jonkin verran vereen, n.alle 5% kuljetettavasta hapesta. Keuhkoalveoleissa happi diffundoituu alveolin ja kapillaarien seinämien läpi vereen. Diffuusiomatka on hyvin lyhyt joten diffuusio on hyvin tehokasta. Tehokkuutta lisää myös hemoglobiinin affiniteetti happeen. Neljä happimolekyyliä sitoutuu punasolujen hemoglobiiniin positiivisen ko-opetariivisesti. Hemoglobiini nimittäin muuttaa muotoa hapen sitoutuessa ja sen ansiosta muutkin happimolekyylin sitoutuvat helpommin ja muodostuu oksihemoglobiini. Kohdekudoksiin hapen diffuusio on hitaampaa koska diffuusiomatka kymmenkertaistuu kudoskapillaareista kohdesoluihin. Hemoglobiini luovuttaa hapen samasta syystä kun se on sen vastaanottanut, eli osapaine-erojen vuoksi. Hemoglobiinin hapensitomis- ja luovutuskykyä voidaan tarkastella oksihemoglobiinin dissosiaatiokäyrältä, joka on sigmoidinen. Tältä käyrältä voidaan nähdä kuinka helposti hemoglobiini luovuttaa hapen jo pienissäkin osapaine muutoksissa, kun puhutaan kudosten tasolla vallitsevista osapaineista. Lepotilanteessa laskimoveren happikyllästeisyys ei kuitenkaan laske kuin noin 25 %, eli happea vapautuu hemoglobiinista soluille vain melko vähän. Tämä antaa pelivaraa kudosten hapenkulutukselle rasituksessa. Koska hapenkuljetus on kahden merkittävän elimistömme järjestelmän yhteistoimintaa, voidaan molempia tutkimalla saada tietoa hapenkuljetuksen vaiheista. Spirometrisilla mittauksilla voidaan tutkia keuhkojen kapasiteettia sekä virtausnopeuksia. Ilmaa tulee saada tehokkaasti keuhkoihin, jotta happea voidaan kuljettaa ja käyttää hyväksi. Ventilaatio-perfuusio suhdetta, eli ventilaation ja verenkierron jakautumista alveoli tasolla eri puolille keuhkoja, tutkittaessa voidaan nähdä hengityskaasujen vaihtoon vaikuttavia tekijöitä. Hapen diffuusiolla on kuitenkin tärkeämpi merkitys. Mikäli happi ei diffundoidu kunnolla verenkiertoon, ei sitä voida saada tehokkaasti 10
kudoksille. Rasitus ergometrisillä mittauksilla voidaan tutkia rasituksessa muuttuvaa happisaturaatiota. Siinä nähdään kuinka tehokkaasti hengitys ja verenkiertoelimet toimivat yhdessä hapensaannin (ja ravinnonsaaniin) turvaamiseksi. Happisaturaatiota mitataan oksimetriassa, jossa sormen päästä mitataan hemoglobiinin happikyllästeisyyttä infrapunasäteiden avulla. Myös hemoglobiinin määrää tutkimalla (valon avulla verinäytteestä) voidaan arvioida veren hapenkuljetuskapasiteettia. Diffuusiotehokkuus vähenee keuhkolaajentumapotilailla alveolien tuhoutumisen vuoksi, koska diffuusiopinta-ala pienenee. Tämä voidaan nähdä muuttuneista spirometria kokeiden arvoista. Diffuusio ominaisuuksia voidaan myös tutkia diffuusiokapasiteettimittauksissa sekä heliumin ja jopa häkä-kaasun avulla. Häkä on hyvä tutkimuksissa, koska se toimii hapen tavoin keuhkoissa mutta sen suuri affiniteetti hemoglobiiniin on tunnetusti jopa henkeä uhkaavaa. Ehkä joku ihana ihminen, joka on ollut mukana tätä kliinistä osaa käsittelevällä luennolla voi täydentää esseetäni. Pahoittelen, että oma osuuteni oli tässä, napsahti vähän huono nakki mun tiedoille ja tiedonhaku kyvyille. Vertaile munuaisputkiston eri osissa tapahtuvia takaisinottomekanismeja toisiinsa Munuaisen toiminta koostuu glomerusfiltraatiosta, tubulaarisesta reabsorptiosta eli aineiden takaisinotosta sekä tubulaarisesta sekreetiosta. Afferentti arteroli tuo veren glomerulukseen, jossa se muodostaa runsasmutkaisen suoniverkoston. Paine filtroi plasmaa puristamalla sitä kapillaarien seinämien läpi, jotka koostuvat reikäisestä endoteelistä, tyvikalvosta sekä podosyyteistä. Tämä suodattunut neste on alkuvirtsaa. Alkuvirtsa siirtyy proksimaaliseen tubulukseen, jossa suurin osa nesteestä reabsorboidaan. Reabsorboitumista tapahtuu myös distaalisessa tubuluksessa sekä kokoojaputkissa. Proksimaalisessa tubuluksessa otetaan takaisin mm. Na +, K +, Cl -, HCO3 - ja Ca 2+. Vedestä imeytyy 65-80%. Muita aineita ovat glukoosi, aminohapot, albumiini ja urea. Proksimaalisen tubuluksen toiminta voidaan jakaa passiiviseen ja aktiiviseen osaan. Passiivisessa osassa Na + reabsorpoidaan tubulussoluun. Vesi seuraa Na + ioneita osmolaliteetin mukaan (Na + nostaa osmolaliteettia jolloin vesi seuraa osmoottisesti perääs). Vesi kulkeutuu aquaporiini1 kanavia pitkin. Na + ioneita seuraa sähköisen gradientin ajamana mm. Cl - ja muut negatiiviset ionit. Passiivista kulkeutumista edistää myös proteiinien aiheuttama kolloidiosmoottinen paine, joka helpottaa mm. veden ja pienimolekyylisten aineiden reabsorboitumista. Proksimaalisen tubuluksen aktiivinen osa koostuu erilaisista symportti ja antiportti sekä pumpputoiminnasta. Apikaalipinnalla toimii symporttimekanismi, joka kuljettaa mm. natrimia ja glukoosia sekä matriumia ja aminohappoja tubulussoluun. Antiporttimekanismeissa natrium siirtyy tubulussoluun ja H + ionit siirtyvät tiehyisiin. Basolateraalipinnalla taas toimiin aktiivinen Na + /K + 11
pumppu, joka siirtää natriumia ulos ja kaliumia tubulussoluun. Basolateraalikalvolla toinen antiportti siirtää kloridia tubulussoluun ja bikarbonaattia ulos solusta. Henlen lingon laskeva osa läpäisee vettä mutta ei läpäise ioneita. Nouseva osa taas ei läpäise vettä vaan läpäisee mm. ioneita. Kuljetusmekanismina nousevalla osalla on Na + /K + ja Na/ Cl pumppu basolateraalipinnalla ja symporttimekanismit apikaalipinnalla, jotka siirtävät mm. Na +, Cl - sekä K + soluun. Henlen lingon periaatetta pitävät yllä vasa recta suonten vastavirtaperiaate. Veri kulkee vastakkaiseen suuntaan kuin tiehyiden neste. Nousevan osan ionit konsentroi verta, jolloin laskevan osan vesi seuraa passiivisesti laimentaen verta. Laskevassa osassa ei siis ole aktiivista kuljetusta. Distaalisen tubuluksen alkuosa ei läpäise vettä mutta Na/Ca/Cl ioneita reabsorboidaan vielä. Distaalisen tubuluksen loppuosassa ja kokoojaputkessa veden reabsorptio riippuu ADH eli anditiureettisesta hormonista ja Na + reabsorptio riippuu aldosteronista. Munuaisen I-solut osallistuvat bikarbonaatin reabsorptioon ja P-solut natriumin. Kun veren määrä/veren paine on pieni jukstaglomerulaarisolut tuottavat reniiniä, joka muuttaa angiotensinogeenin angiotensiini I:ksi, ACE muuttaa sen keuhkoissa angiotensiini II:ksi, joka lisää aquaporiineja kokoojaputkissa ja sitä kautta vettä reabsorboituu enemmän kuin normaalisti. Macula densa solut aistivat NaCl pitoisuutta ja heikko pitoisuus saa aikaan aldosteronin eritystä lisämunuaisen kuoresta joka lisää Na + reabsorptiota kokoojaputkessa ja distaalisessa tiehyissä. Kuvaa keuhkojen toiminta happo-emästasapainon säätelyssä. Miten toiminnan häiriöt vaikuttavat happo-emästasapainoon ja miten elimistö pyrkii korjaamaan häiriön? Keuhkojen toiminta happo-emästasapainossa: Elimistön ph-arvo on normaalisti noin 6,8-7,8. Elimistöön kertyviä happamia aineita ovat mm. CO2, haihtumattomat hapot kuten HCL ja maito- ja ketohapot. Emäksiä aineita ovat anioniset aminohapot kuten HCO3 - eli bikarbonaatti. Säätelymekanismit ovat kemialliset puskurit kuten bikarbonaatti/co2, hemoglobiini, proteiinit ja fosfaatti. Keuhkot osallistuva säätelyyn siten, että ne poistavat happoja hiilidioksidina. CO2 + H2O-> H2CO3-> H + + HCO3 - CO2 poistuu normaalisti tuotannon tahdissa ventilaatiota säätelemällä. Kemoreseptorit stimuloivat vasomotorisia keskuksia. Veren pco2 lisääntyminen ja po2 vähentyminen sekä ph:n lasku lisäävät hermoimpulssien määrää afferenteissa hermoissa. Signaali saapuu nervus tractus solitariukseen ja medullan hengityskeskukset käsittelevät tiedon. Tämä mm. kiihdyttää ventilaatiota. Toiminta on suhteellisen nopeaa käynnistyen noin minuuteissa. 12
Respiratorinen asidoosi: matala ph, korkea pco 2 Syynä on hengityksen vajaatoiminnasta johtuva hiilidioksidin kertyminen elimistöön (hyperkapnia). Sitä tavataan tavallisimmin vastasyntyneen hengitysvaikeuksissa ja myöhemmällä iällä mm. keuhkosairauksien yhteydessä. Keuhkojen kyky poistaa hiilidioksidia elimistöstä heikkenee (pco2- arvo kohoaa) myös toimivan keuhkokudoksen vähentyessä (esim. tuberkuloosi), ventilaatiokyvyn huonontuessa ja rintakehän liikkuvuuden vähentyessä. Munuaiset pyrkivät kompensoimaan tilannetta lisäämällä vetyionien eritystä virtsaan ja reabsorboimalla HCO3 - joka sitoo H + muodostaen H2CO3. Respiratorisen asidoosin seurauksena voi kehittyä metabolinen alkaloosi. Äkillinen hengityksen vajaatoiminta nostaa pco2:n esim. kaksinkertaiseksi (norm. 5.3 kpa), jolloin ilman puskurointia ph laskisi n. 7.11:een. Välitön puskurointi nostaa kuitenkin ph:n 7.18:een. Ajan mittaan munuaisten bikarbonaattisynteesi nostaa seerumin bikarbonaattitasoa, jolloin veren ph nousee n. 7.30:een vaikka hengitys olisi vielä huonoa. Jos kudosnesteiden ph nousee, tilannetta korjaa se, että ei-respiratorisessa alkaloosissa veren bikarbonaattipitoisuus vähenee. Respiratorinen alkaloosi: korkea ph, matala pco 2 Elimistöstä poistuu liikaa hiilidioksidia hyperventilaation vuoksi. Hyperventilaation syynä voi olla hapenpuute, enkefaliitti tai psyykkiset tekijät. Respiratorisen alkaloosin aikana munuaiset vähentävät vetyionien eritystään (renaalinen kompensaatio). Silloin mm. bikarbonaattia menetetään virtsaan. Solujen väliset viestintämekanismit elimistössä Solut viestivät keskenään kemiallisesti ja sähköisesti. Kemiallista viestintää on auto ja parakriininen säätely, synaptinen transmissio ja endokriininen säätely. Sähköistä viestintää on esim. sydämessä aukkoliitosten läpi kulkeva sähköinen virta, aktiopotentiaalin johtuminen. Solujen viestinvälitys voidaan jakaa myös seuraaviin viiteen osa-alueeseen. Endokriininen viestinvälitys Endokriininen viestintä on viestintää jossa signaalimolekyylit vapautuvat sisäeritysrauhasista ja kulkeutuvat verenkierron mukana kohdesoluihin. Eritetty viestimolekyyli kulkeutuu pitkiäkin matkoja nestekierron mukana kohdesolun pintaan. Parakriininen viestinvälitys Parakriinisessä viestinnässä viestimolekyylit vapautuvat paikallisesti ja voivat siirtyä solusta toiseen myös aukkoliitosten kautta. Eritetty viestimolekyyli kulkeutuu ja sitoutuu läheisen tai viereisen 13
solun pintaan. Näin vaikuttavia molekyylejä ovat esimerkiksi eräät kasvutekijät, eikosanoidit sekä verisuonia laajentava typpioksidi NO. Kontaktiin perustuva viestinvälitys Kontaktiin perustuvassa, jukstakriinisessä viestinnässä signalointi tapahtuu vierekkäisten solujen kesken. Solun pinnan molekyylit voivat sitoutua toisen solun pinnalla oleviin reseptoreihin, joiden kautta ärsyke välittyy soluun ja voi aktivoida solun viestinvälitysjärjestelmän. Solujen viestintätapoja on kontaktiviestintä, jossa viestivien solujen on oltava lähekkäin. signaalimolekyyli on sitoutuneena solun pinnalle eli kohdesolun on oltava läheisessä kontaktissa signaloivaan soluun. Autokriininen viestinvälitys Autokriinisessä viestinnässä solu vapauttaa aineita, jotka vaikuttavat sen omaan toimintaan. Viestimolekyyli sitoutuu solun omaan pintaan (reseptoriin). Syöpäsolut esimerkiksi tuotttavat usein itse erilaisia kasvutekijöitä, jotka saavat aikaan syöpäsolujen tehokkaamman jakautumisen. Synaptinen viestinvälitys Synaptista viestintää tapahtuu hermosoluissa esim. hermosolun ja lihassolun välillä. Synapsikohdissa sähköinen impulssi muuttuu kemialliseksi viestiksi. Aukkoliitoskanavat: Aukkoliitokset ovat vierekkäisten solujen välillä. Aukkoliitoksissa solulimat ovat suorassa yhteydessä. Ne mahdollistavat pienten signalointimolekyylien kulkeutumisen suoraan solusta toiseen. Aukkoliitokset koostuvat kahdesta puolikanavasta konneksonista. Kukin konneksoni koostuu kuudesta konneksiini-nimisestä valkuaisaineesta. Kahta solua yhdistävässä kanavassa yksi konneksoni kummastakin solusta asettuu kohdakkain muodostaen näin täydellisen, kaksi solukalvoa läpäisevän väylän. Solu pystyy itse säätelemään sitä, ovatko liitokset auki vai kiinni. Useat tekijät, kuten soluliman H+ ja Ca2+-ionien pitoisuusliitoksen välinen jännite-ero ja proteiinikinaasit, voivat säädellä aukkoliitosten tilaa. Korkeat Ca2+-pitoisuudet ja soluliman happamoituminen sulkevat aukkoliitoksia. Reseptori välitteinen viestintä Tyypillisessä soluviestintätapahtumassa solun luo saapuu jokin signaalimolekyyli esim. hormoni, joka sitoutuu solun pinnalla olevaan reseptoriin. Reseptori aktivoi jonkin solun sisällä olevan molekyylin, joka kuljettaa signaalin eteenpäin. Usein signaali päätyy tumaan säätelemään geenien toimintaa. Signaalimolekyyli voi olla esim. proteiini, jonka vastaanottaa reseptori. Reseptori sijaitsee solukalvon pinnalla, sytoplasmassa tai tumassa. Reseptorilta signaalia eteenpäin kuljettaa solunsisäiset toisiolähetit esim. camp tai Ca 2+. Vaikutukset voivat kohdistua solun toiminnan säätelyyn joko proteiini- tai geenitasolla. Sytoplasmassa tai tumassa sijaitsevat tumareseptorit 14
sitoutuvat DNA:han ja vaikuttavat solun geenien ilmenemiseen. Solujen väliselle viestinnälle on tyypillistä, että jo hyvin pienet viestimolekyylin pitoisuudet riittävät aikaansaamaan vasteen vastaanottajasoluissa. Solukalvon pinnalla on kolmenlaisia reseptoreita, jotka vastaanottavat signaalin. Ionikanavareseptorit Kun reseptoriin sitoutuu ligandi, kanava avautuu ja ionit pääsevät kulkeutumaan muodostuneen vesihuokosen kautta kalvon läpi konsentraatiogradienttinsa suuntaisesti. Useat hermovälittäjäaineiden reseptorit ovat ionikanavareseptoreita. Ionikanavareseptorin kautta kulkeutuvat ionit vaikuttavat hermosoluissa sijaitsevien jänniteherkkien kanavien toimintaan ja voivat synnyttää tai ehkäistä aktiopotentiaalin muodostumista. Ionikanavareseptorien vaikutus solujen ionitasapainoon on nopeampaa kuin esimerkiksi G-proteiinien välityksellä aktivoituvien ionikanavien. Viestimolekyylin sitoutuminen vaikuttaa suoraan kanavan rakenteeseen ja ioniläpäisevyyteen. esim. asetyylikoliinin nikotiinireseptori. Ionikanavat säätelevät solukalvon läpäisevyyttä ioneille. Ionin pääsy kalvon läpi muuttaa kalvojännitettä ja voi kynnysarvon ylitettyään laukaista aktiopotentiaalin tai lihassolun supistumisen. G-proteiinikytkentäiset reseptorit Ligandin sitoutuminen G-proteiinikytkentäiseen reseptoriin saa aikaan muutoksen reseptorin proteiinirakenteessa. Rakenteenmuutos mahdollistaa G-proteiiniksi kutsutun solunsisäisen signaalimolekyylin aktivoitumisen. G-proteiini on GTP: tä sitova trimeerinen säätelyproteiini. Inaktiivisessa muodossa G-proteiinin alfa-alayksikkö sitoo GDP:n, mutta reseptorin aiheuttaman aktivaation seurauksena GDP vaihtuu GTP:ksi ja alfa-alayksikkö irtoaa beta-gamma alayksiköstä. Aktivoituneen G-proteiinin alayksiköt pystyvät solussa aktivoimaan kohdeproteiineja kuten adenylaattisyklaasia, fosfolipaaseja tai solun ionikanavia. Entsyymikytketyt reseptorit Reseptorit voivat itse olla entsyymejä tai ne voivat suoraan aktivoida entsyymejä. Entsyymejä aktivoivien (tai entsyymeinä toimivien) reseptoreiden rakenteessa on ligandia sitovan solun ulkopuolisen osan lisäksi katalyyttinen tai entsyymiä sitova solunsisäinen osa. Entsyymireseptorien ligandina toimii usein kasvutekijä. Ligandi vaikuttaa tyypillisesti jo hyvin pienenä konsentraationa. Ligandi voi saada aikaan nopean vasteen vaikkapa vaikuttamalla solun tukirangan proteiinien järjestäytymiseen. Vaste geenitoiminnassa on usein hidas, sillä viestinvälitysketju reseptorilta tumaan on monivaiheinen. Ligandin sitoutuminen muuttaa inaktiivisen entsyymin aktiiviseksi. Steroidihormonireseptorit Tumareseptorit sijaitsevat joko tumassa DNA:han kiinnittyneinä tai solun sytoplasmassa. Ne 15
aktivoituvat solukalvon läpäisevän, hydrofobisen viestimolekyylin sitouduttua niihin. Tällaisia viestimolekyylejä ovat mm. useat hormonit (tyroksiini, estradioli, testosteroni, kortisoli, retinoli ja D-vitamiini), jotka reseptoriinsa sitouduttuaan vaikuttavat suoraan solun geeniekspressioon. Steroidihormoni sitoutuu sytosolissa reseptoriin ja hormoni- reseptori kompleksin kulkeutuu tumaan jossa kompleksi vaikuttaa geenin luentaa. Primaarisen vasteen aikana reseptori-ligandikompleksin sitoutuminen DNA:han aikaansaa spesifisten säätelyproteiinien tuoton. Sekundaarisen vasteen aikana nämä säätelyproteiinit käynnistävät solun toimintaan varsinaisesti vaikuttavien proteiinien tuoton. Näin yksinkertainen hormonaalinen viesti voi aikaansaada monimutkaisia muutoksia geeniekspressiossa ja lopulta solun toiminnassa. Miten keuhkotoiminnan tapahtumia tutkitaan ja millaisia häiriötiloja paljastuu spirometrialla, diffuusiokapasiteettimittauksella ja oksimetrialla? Spirometria Spirometrialla voidaan tutkia keuhkojen ventilaatiota eli keuhkojen tuuletuskykyä, toimintahäiriön luonnetta, vaikeusastetta ja palautuvuutta, lääkityksen tehoa ja arvioida työ- ja toimintakykyä. Spirometria tutkii keuhkotoiminnan tapahtumia mittaamalla keuhkoista ulospuhallettavan (joissakin laitteissa myös sisäänhengitettävän) ilman tilavuuden ja virtausnopeuden. Uusimmissa laitteissa käytetään pneumotakometritekniikkaa, jossa mittaavana elementtinä on virtausanturi. Koehenkilö suorittaa maksimaalisen sisäänhengityksen ja puhaltaa keuhkonsa ja hengitystiensä tyhjäksi mahdollisimman nopeasti ja voimakkaasti. Ulospuhallusta jatketaan 4-6 sekuntia eli niin kauan kunnes ilma on saatu ulos keuhkoista. Puhalluksia tehdään yleensä 3-4, joista valitaan paras tulos. Tärkeimmät spirometriset suureet ovat: FVC (ja VC), FEV1, FEV%, PEF, MEF75, MEF50 ja MEF25 sekä sisäänhengitystä mittaavissa laitteissa FIV ja PIF. VC tarkoittaa vitaalikapasiteettia eli kertahengitystilavuuden, sisäänhengityksen varatilan ja uloshengityksen varatilan yhteistilavuutta. FVC on maksimaalisella nopeudella ulospuhallettu vitaalikapasiteetti. FEV1 tarkoittaa sekuntitilavuutta eli kuinka monta litraa koehenkilö pystyy maksimaalisesti puhaltamaan ulos ensimmäisen sekunnin aikana maksimaalisen sisäänhengityksen jälkeen. Yleensä sekuntitilavuus ilmaistaan kuitenkin prosentteina vitaalikapasiteetista eli FEV%. PEF puolestaan tarkoittaa uloshengityksen huippuvirtausta. MEF75, MEF50 ja MEF25 kuvaavat uloshengityksen virtauksia ensimmäisessä neljänneksessä, puolivälissä ja viimeisessä neljänneksessä. PIF tarkoittaa sisäänhengityksen huippuvirtausta ja FIV sisäänhengityksen sekuntikapasiteettia. Eli keuhkotoiminnan tapahtumia tutkitaan mittaamalla edelliset suureet ja vertaamalla niitä viitearvoihin. Keuhkojen toimintahäiriö voi olla luonteeltaan obstruktiivinen tai restriktiivinen. Obstruktiivisessa toimintahäiriössä ilman maksimaalinen virtausnopeus hengitysteissä on alentunut joko ilmateiden lisääntyneen virtausvastuksen tai keuhkokudoksen vähentyneen elastisuuden takia. 16
Obstruktiota on esimerkiksi astmassa, keuhkolaajentumassa eli emfyseemassa, kroonisessa bronkiitissa eli keuhkoputkentulehduksessa ja keuhkoahtaumataudissa eli COPD:ssa. Restriktio tarkoittaa puolestaan rintakehän ja keuhkojen muodostaman hengityspalkeen liikkuvuuden rajoittumista. Restriktioon voi johtaa esimerkiksi keuhkofibroosi, lisääntynyt pleuraneste, keuhkokudoksen poisto, hengityskeskuksen sairaudet ja hengityslihasten ja niiden motoristen neuronien toimintahäiriöt. Virtausarvojen aleneminen spirometriassa viittaa obstruktiiviseen häiriöön ja tilavuusarvojen aleneminen taas restriktiiviseen häiriöön. Diffuusiokapasiteettimittaus Diffuusiolla tarkoitetaan keuhkoissa hengityskaasujen siirtymistä verenkiertoon ja päinvastoin. Diffuusiokapasiteetilla voidaan siis kuvata sitä, kuinka hyvin keuhkoissa tapahtuu kaasujen vaihto. Tutkimuksessa hengitetään sisään kaasuseosta, jossa on muun muassa hiilimonoksidia. Sisään- ja uloshengitetyn ilman hiilimonoksidipitoisuuden perusteella lasketaan keuhkojen kokonaisdiffuusiokapasiteetti. Hiilimonoksidilla saadut diffuusiokapasiteettiarvot näyttäisivät korreloivan hyvin hapen diffuusiokapasiteettiarvoihin. Diffuusiokapasiteettiä voi heikentää diffuusioeste, joka voi syntyä esimerkiksi fibroosissa ja kapillaari- ja alveolikato, joka voi syntyä emfyseemassa. Oksimetria Oksimetriassa mitataan, kuinka paljon hemoglobiini sisältää happea eli hemoglobiinin happikyllästeisyyttä. Mittaus voidaan tehdä valtimoverestä, mutta nykyään on käytössä noninvasiivinen menetelmä, joka mittaa jatkuvasti happisaturaatiota ihon lävitse. Mittaus suoritetaan tavallisesti sormesta, mutta myös muut mittauskohdat ovat mahdollisia. Oksimetriassa 2% happisaturaation lasku on epäilyttävä ja 4% lasku jo merkitsevä. Jos happisaturaatio laskee alle 88% on löydös jo hyvin merkitsevä. Oksimetriassa on kuitenkin virhelähteitä, jotka voivat vaikuttaa tuloksiin. Näitä ovat esimerkiksi liike, huono verenkierto esim sydänpotilaalla, matala hemoglobiini, pigmentaatiot, laitteet, huono korvalehti ja lisääntynyt karboksihemoglobiini. Miten eri tyyppiset lihastyöt kuormittavat elimistöä? En ota vastuuta siitä, onko vastausmalli on sellainen kuin tenttikorjaajat vaativat. Syy tähän on että mielestäni emme ole käyneet läpi asioita, jotka sopisivat suoraan aiheeseen. Soveltavan fysiologian luentomonisteessa käsiteltiin mielestäni asiaa mutta en kirjoita siitä nyt. Lihaksilla on paljon erilaisia tehtäviä vartalossa. Näitä ovat muun muassa kehon liikkeet, tasapaino, vartalon asento ja sisäelinten suojaaminen ja tuki. Muita tehtäviä ovat ruumiin aukkojen toiminnan säätely, verenvirtauksen säätely, peristaltiikka ja kehon lämmöntuotanto. Samalla kun lihakset tekevät tarpeellisia tehtäviä, syntyy sivutuotteita, jotka voivat kuormittaa elimistöä. Myös 17
eri voimaiset lihassupistukset kuormittavat elimistöä ja itseänsä. Yleisesti voidaan sanoa, että ATP:tä kuluu enemmän, mitä nopeampi on lihaksen supistumisnopeus. Samalla se on isompi kuorma elimistölle. Lihaksisto voidaan jakaa anatomisesti kolmeen eri ryhmään: luustolihaksiin, sileisiin lihaksiin ja sydänlihaksiin. Luustolihakset ovat tahdonalaisia ja sileät lihakset ja sydänlihas puolestaan autonomisia Isometrinen tai isotoninen lihastyö Luustolihaksilla lihastyö voi olla isometrista tai isotonista. Isometrinen lihastyö tarkoittaa, että lihaksen pituus ei muutu työn aikana eli lihastyö on staattista. Esimerkiksi asennon pitäminen on isometrista lihastyötä. Isotoninen lihastyö tarkoittaa, että lihaksen jännitystila pysyy muuttumattomana eli ulkoinen kuorma, jota lihas nostaa. Tavalliset päivittäiset toiminnot ovat isotonisen ja isometrisen työn yhdistelmiä. Esimerkiksi kun nostetaan jotain esinettä, niin kestää jonkin aikaa ennen kuin lihaksilla on tarpeeksi voimaa esineen painon voittamiseksi. Isotonista työtä edeltää siis aina isometrinen työ. Tetaninen ja tooninen lihassupistus Tooninen supistus tarkoittaa pitkäkestoista supistusta tasaisella voimalla. Tetanisella supistuksella tarkoitetaan lihassolun yhtäjaksoista supistusta eli tiheästi, noin 1-2 ms kestoista toistuva lihassyyn supistuminen. Uusi supistus alkaa ennenkuin edellinen päättyy. Aerobinen vs anaerobinen lihastyö ATP energia kuluu lihastyössä kun lihassolun myosiiniväkäset sitoutuvat ja irtoavat aktiinista toistuvasti. Tämä jatkuu kunnes soluissa loppuu ATP:tä tai Ca2+ ionia. ATP:n tuotanto voi olla joko glykolyyttinen (anaerobinen) tai oksidatiivinen (aerobinen) riippuen happitilanteesta. Aerobisissa lihaksissa myoglobiini kiihdyttää hapen diffuusiota, ja toimii pienenä happivarastona hapentarpeen kasvaessa. Äkillisissä voimakkaissa lihassuorituksissa tuotetaan energiaa anaerobisesti glykolyysireaktiolla ja vain 1/3 aerobisesti. Sivutuotteena anaerboisessa lihastyössä muodostuu maitohappoa, joka laskee kudoksen ph:ta ja aiheuttaa väsymistä. Maitohappo kuormittaa elimistöä kunnes happivelka on korvattu ja maitohappo muunnettu pois. Levossa poltetaan rasvahappoja ja varastoidaan energia ATP:nä, fosfokreatiinina ja glukogeenina. Kevyeen rasitukseen energiaa saadaan aerobisella ATP tuotolla sokerin ja rasvan polttamisesta. Luustolihastyypeissä on eroa entsymaattisissa ominaisuuksissa, esimerkiksi ATPasi aktiivisuuksessa. Luustolihaksen työkuorma Luustolihakset ovat tahdonalaisia, johtumiskykyisiä ja supistumis- ja venymiskykyisiä. Harjoittelu lisää luustolihasten lihasmassaa ja kestävyyttä. Riippuen siitä kuinka nopeasti luustolihakset 18
tuottavat ja käyttävät ATP:tä ne voidaan jakaa hitaaseen tai nopeaan lihastyyppiiin. Lihasvoima riippuu rinnakkaisten sarkomeerien määrästä ja aktivoituvien motoristen yksiköiden määrästä. Lihastyyppi määrää maksimivoiman saavuttamiseen kuluvan ajan. Luustolihakset jaetaan kontraktionopeuden mukaan punaisiin ja valkoisiin lihassoluihin. Punaiset lihassolut pystyvät käyttämään sekä aerobistä että anaerobistä metaboliaa. Osa niistä on sen vuoksi hitaita ja pitkäaikaisiin supistuksiin sopivia esim asentolihakset. Toinen osa on nopeampia. Valkoisilla lihassoluilla on nopea kontraktio ja relaksaatio. Nämä väsyvät nopeasti ja vaativat palautumista. Sileät lihakset Sileät lihakset ympäröivät sisäelimiä ja ontelorakenteita (toki ei sydäntä). Niiden yleistehtäviin kuuluu muun muassa alhaisella energian kulutuksella tuottaa pitkäkestoisia ja hitaita supistuksia: 200-300 ms. Tähän kuuluu esimerkiksi tuottaa voimaa tai supistua toteuttaakseen liikuttamistapahtuman (nesteen/ravinnon liike ontelossa) tai muuttaakseen elimen muotoa. Pitkäkestoisessa lihastyössä (eli toonisessa lihastyössä), sileät lihakset ovat esimerksiksi mukana elimenrakenteiden tukena. Lihastyö on hyvin taloudellista (ATP kulutus/tuotettu supistus), koska ATPaasi aktiivisuus on alhainen. Oksidatiivinen metabolia on tärkein ja glykolyysi mahdollinen. Matala energiantuotto aiheuttaa että maksimaalinen supistus saavutetaan hitaasti. Sydänlihas Sydänlihas käyttää pääasiassa aerobista ATP tuotto mutta hypoksiassa jopa 10 % voi olla anaerobista. Riippuen ravitsemustilasta joko glukoosia tai rasvahappoja. Fyysiseen ponnisteluun liittyvä huimaus ja pyörrytys/mitä verenkierrosta johtuvia syitä voi olla huimauksen ja pyörrytyksen syynä? Mitä kliinis-fysiologisia tutkimuksia voidaan käyttää diagnostiikan apuna ja mitä huimauksen syitä niillä voidaan selvittää? Synkopee (pyörtyminen) on yleinen kliininen ongelma. Äkillinen hetkellinen tajunnanmenetys voi johtua monista sekä patologisista että fysiologisista syistä. Aivoverenkierron hetkellinen keskeytyminen johtaa tajuttomuuteen 8-10 sekunnissa. Systolisen verenpaineen lasku alle 70 mmhg:n aiheuttaa synkopeen. Ikääntymisen myötä vähenevä aivoverenkierto lisää vanhempien ihmisten synkopee taipumusta. Synkopeet luokitellaan kardiovaskulaarisiin ja ei-kardiovaskulaarisiin sekä selittämättömiin. Kardiovaskulaarinen synkopee jaetaan edelleen refleksisynkopeeksi ja sydänperäiseksi synkopeeksi. Refleksisynkopee johtuu primaarisesti sydämen oikean puolen riittämättömästä täyttymisestä ja se ilmentää veren kasautumista periferiaan seisoma-asennossa, harvemmin istuma-asennossa. Tavallisin muoto nuorilla, terveillä ihmisillä on vasovagaalinen synkopee, jonka voi provosoida 19
pelko, emotionaalinen stressi tai kipu. Synkopee johtuu perifeerisen vastuksen liiallisesta vähenemisestä, jota minuuttitilavuuden lisääntyminen ei riittävästi korvaa. Joillakin potilailla vasovagaalisen synkopeen hemodynaamiset ja reflektoriset muutokset johtuvat sydämen mekanoreseptorien stimulaatioista sydämen äkillisesti laajentuessa. Näiden C-säikeiden stimulaatio laukaisee refleksin, jonka seurauksena ilmenee bradykardia ja vasodilataatio. Ihmisen seisoessa veren kasautuminen periferiaan, verenpaineen lasku ja pienenevä minuuttitilavuus kompensoituvat reflektorisella takykardialla ja vasokonstriktiolla, jotka saavat aikaan sympatikusstimulaation. Kun nämä kompensatoriset mekanismit ovat kunnossa, systolinen verenpaine laskee vain 3-15 mmhg ja diastolinen paine hieman nousee. Ortostaattisessa synkopeessa systolinen paine laskee enemmän ja diastolinen paine joko laskee tai pysyy muuttumattomana. Sydänperäinen synkopee johtuu vasemman kammion riittämättömästä minuuttitilavuudesta ja liittyy tavallisesti vakavaan sydänsairauteen. Yleisin mekaanisen synkopeen syy on vasemman kammion ulosvirtauksen estyminen. Syynä voi olla esimerkiksi aorttastenoosi. Synkopee ja hypotensio esiintyy yleensä ruumiillisen rasituksen yhteydessä. Myös rytmihäiriöt rasituksen aikana ovat yleinen synkopeen syy. Käytettäviä tutkimuksia: Ortostaattinen koe (verenpaineen muutos asentoon liittyen), kliininen sydämen rasituskoe (rasituksessa ilmenevät rytmihäiriöt, sepelvaltimotaudin diagnostiikka), sydämen ultraääni (sydänperäinen synkopee, läppien toiminnan tarkastelu, sydämen vajaatoiminta), ekg (nähdään mahdolliset jo levossa ilmenevät rytmi/johtumishäiriöt), Holternauhoitus eli sydämen rytmin vuorokausirekisteröinti. Verenkierron elinkohtaiset ominaispiirteet Keuhkoverenkierto (katso tärppitehtävä 1.) Aivojen verenkierto Aivoihin tulee verta karotissuonista (sisemmät) ja nikamavaltimoista, jotka muodostavat kallonpohjavaltimon. Aivojen verenkierron kannalta tärkeä rakenne aivojen valtimokehä muodostuu hypotalamuksen alle. Aivojen kokonaisverenkierto on varsin stabiili ja se keskittyy harmaaseen aineeseen. Aivojen iskemiaherkkyys on suuri ja se johtavaa nopeasti tajunnanhäiriöihin. Aivoverenkierron säätelyssä tärkeä mekanismi on myogeeninen autoregulaatio (65-140 mmhg). Tämän avulla verenkierron homeostaasi pyritään ylläpitämään esimerkiksi verenvuodon aikana. Metabolinen säätely tarkoittaa sitä, että hiilidioksin ja hapen osapaineet sekä ph vaikuttavat aivojen verenkiertoon. Hiilidioksidipitoisuuden noustessa ja ph:n laskiessa aivojen verisuonissa tapahtuu vasodilataatio ja verenvirtaus kasvaa. Happiosapaineen laskiessa tapahtuu myös vasodilataatiota. Myös sensorinen informaatio (esim. käden puristaminen nyrkkiin) voi muokata 20