Hengityselimistö Kappale 23 Tortora 12ed
CO 2 O 2 Airways Alveoli of lungs Exchange I: atmosphere to lung (ventilation) CO 2 O 2 Exchange II: lung to blood CO 2 O 2 Pulmonary circulation Transport of gases in the blood Systemic circulation CO 2 O 2 Cells CO 2 O 2 ATP Cellular respiration Nutrients Exchange III: blood to cells
Ilmakehän koostumus GAS % Happi (O 2 ) 20,95 Hiilidioksidi (CO 2 ) 0,03 Typpi (N) 78,09 Argoni (Ar) 0,93 Yhteensä 100 (0,002 % koostuu heliumista, neonista, kryptonista, xenonista, metaanista ja esim. hiilimonoksidista) 3.11.2014
Ilmakehän koostumus ja osapaineet Ilmanpaine merenpinnantasolla on 1 atm = 760 mm Hg = 101,3 kpa. Koska 20.95% ilmasta on happea, hapen osapaine (P O2 ) on tällöin 20.95/100 * 760 mmhg = 159.22 mmhg Ilmanpaine johtuu ilman painosta. Suurin osa ilmakehän ilmasta on alle 20km korkeudessa. Mitä korkeammalla oleskelemme, sitä pienempi ilmapatsas painaa meitä ja siksi pienempi ilmanpaine. Vesihöyry vie aina absoluuttisen osan kokonaispaineesta. 3.11.2014 Biovetenskapernas grunder II
3.11.2014 Biovetenskapernas grunder II
Vesihöyry Veteen kosketuksissa oleva ilma on saturoitunut (100% ilmankosteus). 3.11.2014 Lämpötila 0 C mm Hg kpa % av 1 atm mg H 2 O/liter luft 0 4,6 0,61 0,6 4,8 10 9,2 1,23 1,2 9,4 20 17,5 2,34 2,3 17,3 30 31,7 4,24 4,2 30,3 40 55,1 7,38 7,3 51,1 50 92,3 12,33 12,2 83,2 100 760 101,33 100 598,0 37 46,9 6,28 6,2 43,9
Gases in Solution P O2 = 100 mm Hg [O 2 ] = 5.20 mmol/l P O2 = 100 mm Hg [O 2 ] = 0.15 mmol/l P CO2 = 100 mm Hg [CO 2 ] = 5.20 mmol/l P CO2 = 100 mm Hg [CO 2 ] = 3.00 mmol/l (c) (d) Figure 18-2c d
Hapen liukoisuus veteen Temperatur o C mlo 2 /liter (sötvatten) 0 10.29 7.97 10 8.02 6.35 15 7.22 5.79 20 6.57 5.31 30 5.57 4.46 mlo 2 /liter (saltvatten) 3.11.2014 Biovetenskapernas grunder II
Gas Diffusion Alveoli P O2 = 100 mm Hg Alveoli P CO2 = 40 mm Hg P O2 = 40 P O2 = 100 P CO2 = 46 P CO2 = 40 Circulatory system Circulatory system P O2 = 40 P O2 = 100 P CO2 = 46 P CO2 = 40 P O2 < 40 mm Hg P CO2 > 46 mm Hg Peripheral tissue Peripheral tissue (a) Oxygen diffusion (b) CO 2 diffusion Figure 18-3
Gas Exchange Table 18-2
Hengityselimistön rakenne nenäkuorikko
Alahengitystiet, kurkunpää
Alahengitystiet, henkitorvi henkitorvi trachea à oikea ja vasen pääkeuhkoputki l. bronchus principalis dex./sin. à keuhkoputket l. yks. bronchus suurissa hengitysteissä on valekerrostunutta (monirivinen) lieriöepiteeliä värekarvallista epiteelissä limaa tuottavia pikarisoluja suurempia epiteelin muodostamia limarauhasia
Branching of Airways ANATOMY SUMMARY THE LUNGS AND THORACIC CAVITY Larynx Trachea Cartilage ring Left primary bronchus Secondary bronchus Alveoli Bronchiole Figure 17-2e
Keuhko-putket
Ciliated Respiratory Epithelium Cilia move mucus to pharynx Dust particle Mucus layer traps inhaled particles. Watery saline layer allows cilia to push mucus toward pharynx. Cilia Goblet cell secretes mucus. Nucleus of columnar epithelial cell Basement membrane Ciliated epithelium of the trachea Figure 17-5
Alveolar Structure Figure 17-2g
Keuhkoputken läpimitan normaali säätely Adrenalini (sympaattinen järjestelmä) -> sileän lihaskudoksen veltostuminen, keuhkoputkien laajeneminen (beta-2 reseptorit) Asetyylikoliini (parasympaattinen järjestelmä) 11/3/2014 AT Medical Affairs Consulting Oy www.medaffcon.fi
Adrenerginen säätely 11/3/2014 AT Medical Affairs Consulting Oy www.medaffcon.fi
Kolinerginen säätely 11/3/2014 AT Medical Affairs Consulting Oy www.medaffcon.fi
Ongelmia hengitysteissä, astma
Steroidit astmanhoidossa
Kolinergisen sileälihaksen supistumisen säätely astmassa
Beta2 adrenoreseptori
Kysteinyylileukotrieenejä vapautuu tulehdusreaktiossa
YSKÄ Yskärefleksi on elimistön suojamekanismi, jonka tarkoituksena on poistaa hengitysteihin kertyvät eritteet ja vierasaineet. Normaalisti keuhkoputkien limakalvon värekarvaepiteeli kuljettaa niitä nielua kohden, mutta yskä nopeuttaa tätä toimintaa. Yskäreseptoreita on koko keuhkojen alueella, mutta runsaimmin niitä on nielussa, henkitorven takaseinämässä, ja pääbronkusten haarautumiskohdassa. Afferentit säikeet kulkevat keskushermostoon pääosin nervus vaguksen mukana. Yskäkeskuksen katsotaan sijaitsevan ydinjatkeessa.
Yskän hillitseminen Yskää hillitsevät, antitussiiviset aineet heikentävät yskärefleksin käynnistymistä tai lamaavat refleksikaarta eri kohdissa. Tärkein vaikutuskohta on keskushermosto, jossa useat aineet ennen muuta opioidit lamaavat yskäkeskusta
Rintaontelo, keuhkopussit
Keuhkot 1/3 oikeassa keuhkossa kolme lohkoa ylä-, keski- ja alalohko vasemmassa keuhkossa kaksi lohkoa ylä- ja alalohko sydän sijaitsee enemmän vasemmalla
pleura Air-filled balloon Air space of lung Pleural fluid Fluid-filled balloon Pleural membrane Figure 17-3
Keuhkot 2/3 keuhkojen ympärillä keuhkopussi pleura pleura viscerale, kiinni keuhkossa, lohkojen välissäkin pleura parietale, kiinni rintaontelon seinämissä pleuraontelossa (keuhkopussinontelossa) vallitsee hengitysliikkeistä riippuvainen ilmanpainetta pienempi paine (alipaine) pleuraontelossa niukasti nestettä, joka vähentää pleuralehtien välistä kitkaa ilman pääsy pleuraonteloon on vakava tila ilmarinta l. pneumothorax
Keuhkot 3/3 pienimmät keuhkoputkien haarat päätyvät keuhkorakkuloihin eli alveoleihin alveoleissa tapahtuu kaasujenvaihto ilman ja veren välillä O 2 siirtyy vereen punasoluihin CO 2 siirtyy verestä alveoli-ilmaan alveoleja pinnoittaa yhdenkertainen levyepiteeli
Kaasujen siirtyminen diffuusio kaasut siirtyvät suuremmasta osapaineesta pienempään hapen osapaineita ulkoilmassa 21,2 kpa (ilmanpaine 101.3kPa, O2-20.9%) alveoleissa 13,3 kpa laskimoveressä 5,3 kpa valtimoveressä 13,3 kpa hiilidioksidin osapaineita ulkoilmassa 0,04 kpa alveoleissa 5,3 kpa laskimoveressä 6,0 kpa valtimoveressä 5,3 kpa
Keuhkojen verenkierto sydämen oikeasta kammiosta lähtevät keuhkovaltimot tuovat keuhkoihin verta, jossa alentunut pitoisuus happea hapen osapaine n. 5,3 kpa keuhkoista lähtee sydämen vasemmalle puolelle keuhkolaskimot kuljettavat systeemiverenkiertoon verta, jossa suuri happipitoisuus hapen osapaine n. 13,3 kpa keuhkot saavat myös hapekasta verta keuhkoputkivaltimoiden välityksellä aortasta haaroja
Keuhkorakkulat
Surfaktantti alveolien sisäpinnalla ohut nestekerros, jolla suuri pintajännitys à alveoleilla taipumus painua kasaan surfaktantti on proteiinien ja fosolipidien seos, joka vähentää pintajännitystä à alveolit pysyvät avoimina keskosilla saattaa olla surfaktanttipuutos (RDS), josta seuraa hoitamattomana hengitysvaikeuksia
Keuhkotuuletus eli ventilaatio sisäänhengitys aktiivinen lihastyö laajentaa rintaonteloa à keuhkokudos laajenee pleuraontelossa vallitsevan alipaineen vuoksi hengitysteihin kehittyy hetkellisesti alipaine à ilma virtaa sisäänpäin uloshengitys levossa passiivista keuhkojen kimmoisuudesta seuraavaa kokoonpainumista hengitysteihin muodostuu hetkellisesti ylipaine à ilma virtaa ulospäin rasituksessa tai patologisessa tilanteessa uloshengitys myös aktiivista
Hengityslihakset sisäänhengitys aina aktiivista pallea ulommat kylkivälilihakset avustavia myös: m. sternocleidomastoideus, mm. scaleni, m. pectoralis minor uloshengitys levossa passiivista, rasituksessa aktiivista sisemmät kylkivälilihakset vatsan alueen lihakset (m. rectus abdominis etc.)
Muscles Used for Ventilation Sternocleidomastoids Scalenes External intercostals Diaphragm Internal intercostals Abdominal muscles Muscles of inspiration Muscles of expiration (b) Muscles used for ventilation Figure 17-2b
Hengitystilavuudet normaali hengitystaajuus n. 12-14 /min normaali kertahengitystilavuus noin 500 ml minuuttitilavuus n. 6000-7000 ml/min (huom. levossa) sisäänhengityksen varatila n. 3000 ml uloshengityksen varatila n. 1000 ml jäännösilmatila n. 1500 ml kokonaistilavuus n. 6000 ml tilavuudet nuoren miehen arvoja, naisilla noin 20-25 % pienemmät
Spirometer Bell Air Inspiration Expiration Inspiration Expiration 0.5 Volume (L) Water Time 0 Figure 17-7
Spirometria tutkitaan ilman virtausolosuhteita sekuntitilavuus FEV1 tilavuus ilmaa, jonka tutkittava pystyy maksimaalisen sisäänhengityksen jälkeen puhaltamaan ulos ensimmäisen sekunnin aikana sekuntitilavuuden osuus vitaalikapasiteetusta FEV% normaalisti vähintään 72% huippuvirtausnopeus PEF
Kaasujen siirtyminen diffuusio kaasut siirtyvät suuremmasta osapaineesta pienempään hapen osapaineita ulkoilmassa 21,2 kpa alveoleissa 13,3 kpa laskimoveressä 5,3 kpa valtimoveressä 13,3 kpa hiilidioksidin osapaineita ulkoilmassa 0,04 kpa alveoleissa 5,3 kpa laskimoveressä 6,0 kpa valtimoveressä 5,3 kpa
Hemoglobiini muodostunut neljästä peptidiketjusta jokaisessa peptidiketjussa yksi hemiyhdiste sisältäen yhden rauta-atomin päätehtävä kuljettaa happea hapensitomiskyky riippuu lämpötilasta HAPPAMUUDESTA PH CO 2 PITOISUUDESTA JA MUISTA SITOUTUVISTA AINEISTA oksihemoglobiinin dissosiaatiokäyrä kertoo, mikä on hemoglobiinimolekyylien happikyllästeisyys (%)
Oxygen Transport (a) Oxygen transport in blood without hemoglobin. Alveolar P O2 = arterial P O2 P O2 = 100 mm Hg Hemoglobin increases oxygen transport by blood Alveoli O 2 molecule Arterial plasma P O2 = 100 mm Hg Oxygen dissolves in plasma. O 2 content of plasma = 3 ml O 2 /L blood O 2 content of red blood cells = 0 Total O 2 carrying capacity 3 ml O 2 /L blood Figure 18-7a
Oxygen Transport (b) Oxygen transport at normal P O2 in blood with hemoglobin P O2 = 100 mm Hg P O2 = 100 mm Hg Red blood cells with hemoglobin are carrying 98% of their maximum load of oxygen. O 2 content of plasma = 003 ml O 2 /L blood O 2 content of red blood cells = 197 ml O 2 /L blood Total O 2 carrying capacity 200 ml O 2 /L blood Figure 18-7b
Oxygen Transport (c) Oxygen transport at reduced P O2 in blood with hemoglobin P O2 = 28 mm Hg P O2 = 28 mm Hg Red blood cells carrying 50% of their maximum load of oxygen. O 2 content of plasma = 000.8 ml O 2 /L blood O 2 content of red blood cells = 099.5 ml O 2 /L blood Total O 2 carrying capacity 100.3 ml O 2 /L blood Figure 18-7c
The Hemoglobin Molecule a Chain b Chain Heme group Hemoglobin consists of 4 subunits, each centered around Fe 2+ (a) Porphyrin ring (b) R = additional C, H, O groups Figure 18-8
Oxygen Transport Capillary endothelium ARTERIAL BLOOD O 2 dissolved in plasma (~P O2 ) < 2% O 2 Alveolus O 2 + Hb Hb O 2 > 98% Red blood cell Alveolar membrane Transport to cells Cells Hb O 2 Hb + O 2 O 2 O 2 dissolved in plasma Used in cellular respiration Figure 18-6 (9 of 9)
Oxygen-Hemoglobin Dissociation Curve Figure 18-9
Oxygen Binding Physical factors alter hemoglobin s affinity for oxygen Figure 18-10a
Oxygen Binding Figure 18-10b
Oxygen Binding Figure 18-10c
Oxygen Binding 2,3-DPG decreases hemoglobin s affinity for oxygen Figure 18-11
Oxygen Binding Maternal and fetal hemoglobin have different oxygen-binding properties Figure 18-12
Oxygen Binding The total oxygen content of arterial blood depends on the amount of oxygen dissolved in plasma and bound to hemoglobin TOTAL ARTERIAL O 2 CONTENT Oxygen dissolved in plasma (P O2 of plasma) is influenced by helps determine Oxygen bound to Hb Composition of inspired air Alveolar ventilation Oxygen diffusion between alveoli and blood Adequate perfusion of alveoli % Saturation of Hb affected by x Total number of binding sites Rate and depth of breathing Airway resistance Lung compliance Surface area Diffusion distance P CO2 ph Temperature 2,3 DPG Hb content per RBC x Number of RBCs Membrane thickness Amount of interstitial fluid Figure 18-13
CO 2 kuljetusmekanismit veressä 1. karboanhydraasientsyymin avulla punasolussa muodostettuna bikarbonaattina HCO 3- joka siirtyy plasmaan ja kulkee plasman mukana 2. liittyneenä hemoglobiiniin 3. plasmaan liuenneena O 2 kuljetetaan pääasiassa hemoglobiiniin sitoutuneena CO2 + H20 <-->H2CO3 <-->H+ + HCO3 Reaktiota katalysoi entsyymi (karbonianhydraasi)
Kaasujen vaihto keuhkorakkuloissa
Kaasujen vaihto lihaksissa
Carbon Dioxide Transport in the Blood VENOUS BLOOD CO 2 Cellular respiration in peripheral tissues CO 2 + Hb CO 2 + H 2 O CA Red blood cell Hb CO 2 (23%) HCO 3 H 2 CO 3 H + + Hb Hb H Dissolved CO 2 (7%) Cl HCO 3 in plasma (70%) Capillary endothelium Cell membrane Transport to lungs Dissolved CO 2 Dissolved CO 2 CO 2 HCO 3 in plasma Cl HCO 3 Hb H H + + Hb Hb CO 2 H 2 CO 3 CA Hb + CO 2 H 2 O + CO 2 Alveoli Figure 18-14
Dry air = 760 mm Hg P O2 = 160 mm Hg P CO2 = 0.25 mm Hg Alveoli P O2 = 100 mm Hg P CO2 = 40 mm Hg CO 2 O 2 CO 2 transport HCO 3 = 70% Hb CO 2 = 23% Dissolved CO 2 = 7% Pulmonary circulation Arterial blood P O2 = 100 mm Hg P CO2 = 40 mm Hg Venous blood P O2 = 40 mm Hg P CO2 = 46 mm Hg Systemic circulation O 2 transport Hb O 2 > 98% Dissolved O 2 < 2% (~P O2 ) CO 2 O 2 Cells P O2 < 40 mm Hg P CO2 > 46 mm Hg Figure 18-15
Hengityksen säätely hengitystä säätelevä keskus sijaitsee ydinjatkeessa humoraalista säätelyä kemoreseptorit veren hiilidioksidipitoisuus veren kemiallinen koostumus (metaboliatuotteet) ph veren happipitoisuus neuraalista säätelyä Hering Breuerin heijaste keuhkojen, lihasten ja jänteiden reseptorit lämpötila
KEY Stimuli Sensory receptors Afferent neurons Integrating centers Efferent neurons 14 13 16 15 1 2 3 4 Emotions and voluntary control Higher brain centers CO 2 Medullary chemoreceptors O 2 and ph Carotid and aortic chemoreceptors Effectors 12 5 6 Limbic system Afferent sensory neurons 7 11 8 Medulla oblongata and pons 10 9 Somatic motor neurons (inspiration) Somatic motor neurons (expiration) Inspiration Expiration Scalene and sternocleidomastoid muscles External intercostals Diaphragm Internal intercostals Abdominal muscles Figure 18-16
KEY PRG = Pontine respiratory group DRG = Dorsal respiratory group VRG = Ventral respiratory group NTS = Nucleus tractus solitarius Higher brain centers Pons PRG NTS Sensory input from CN IX, X (mechanical and chemosensory) DRG Medulla Medullary chemoreceptors pre-bötzinger complex VRG Output to expiratory, some inspiratory, pharynx, larynx, and tongue muscles Output primarily to inspiratory muscles Figure 18-17
Regulation of Ventilation Neural activity cycles during quiet breathing Figure 18-18
Regulation of Ventilation Low P O2 Blood vessel Carotid body oxygen sensor releases neurotransmitter when P O2 decreases 1 Low P O2 Glomus cell in carotid body 3 5 2 Cell depolarizes Ca 2+ entry K + channels close 4 Voltage-gated Ca 2+ channel opens 6 Exocytosis of neurotransmitters Action potential Receptor on sensory neuron 7 Signal to medullary centers to increase ventilation Figure 18-19
Regulation of Ventilation Central chemoreceptors monitor CO 2 in cerebrospinal fluid P CO2 CO 2 + H 2 O H + Central chemoreceptor Cerebral capillary Blood-brain barrier H 2 CO 3 H + + HCO 3 CA Cerebrospinal fluid Medulla Respiratory control centers Ventilation Figure 18-20
Regulation of Ventilation Chemoreceptor response to changes in plasma CO 2 Plasma P CO2 P CO2 in CSF Arterial P CO2 CO 2 in CSF H + + HCO 3 CO 2 H + + HCO 3 in plasma Stimulates central chemoreceptor Stimulates peripheral chemoreceptor Plasma P O2 < 60 mm Hg Ventilation Plasma P O2 Plasma P CO2 Negative feedback Figure 18-21
Hengityksen säätely rasituksen aikana