Respirační systém I (mechanika dýchání, vitální kapacita, transport plynů) Dýchání Soubor procesů sloužící k výměně dýchacích a krevních plynů • mezi vnějším prostředním a plícemi– vnější dýchání • mezi krví a tkání – vnitřní dýchání Vnější dýchání zahrnuje – ventilaci, distribuci a difuzi plynů - aby bylo účinné, musí na to navazovat perfúze (prokrvení) plic dýchací cesty alveoly alveolo-kapilární m. plícní kapiláry TRANSPOR T O2 V KRVI DIFUZE O2 PŘES ALVEOLO- KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU DIFUZE O2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUŇKY VENTILACE PLIC Morfologie – horní dýchací cesty Stavba: nosní dutina, nosohltan, hrtan, (vedlejší nosní dutiny, ústní dutina) nosní dutina ústní dutina hltan průdušnice hrtan http://zdraviamy.cz/uploads/images/headNeckKey.jpg • Bohatě prokrvené a inervované • Funkce senzitivní, ochranná (filtrace, ochranné reflexy), ohřívání a vlhčení vdechovaného vzduchu, hlasová Morfologie – dýchací cesty • Průdušnice (trachea) – průřez 2,5 cm2 Dichotonické větvení – jedna průduška se dělí na dvě • Průdušky (bronchi) • 2 hlavní (1. generace dělení) • 5 sekundárních (2. generace) • 18 terciálních (3. generace) • 4. genreace průdušek • ….. • Průdušinky (bronchioly) • Bronchioly terminales (cca 16. generace) celkový průřez 500 cm2 • Bronchioly respiratory • alveolární kanálky • Alveolární kapsy • Plicní alveoly (22. – 23. generace) Základní jednotka plicní tkáně: plicní lalůček (acinus) Konduktivní zóna - transport a úprava vzduchu (ohřátí, zvlhčení, čištěni) Asinus, pechodná a respirační zóna - výměna dýchacích plynů Dýchací cesty Dýchací cesty od nosu až k terminálním bronchiolům: • Mucinózní buňky – tvorba sekretu (vlhčení a mechanická ochrana sliznice, fixace škodlivých látek) • Řasinkový epitel – posun sekretu směrem k faryngu (při zničeném řasinkovém epitelu se hlen odstraňuje kašlem) Dýchací cesty Průdušnice a průdušky • prstencovitá chrupavka podkovovitého charakteru - výztuha dýchacích cest • na otevřeném místě chrupavky hladká svalovina - změna průsvitu průdušek chrupavka epitelžláza hladký sval Směrem od průdušnice k malým průduškám klesá podíl chrupavky (průdušinky už jsou bez chrupavky) a roste podíl svaloviny (nejvíce v terminálních průdušinkách) ciliární cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura buňky hladké svaloviny chrupavka krevní cévy žláza pohárková buňka mukus Hladký sval ve stěně dýchacích cest • inervován především vagem – bronchokonstrikce (acetylcholin, muskarinové receptory) • Sympatická inervace slabší – adrenalin a noradrenalin – bronchodilatace (beta-receptory) • Histamin způsobuje bronchokonstrikci (alergická reakce) 𝑹 = 𝟖 ∙ 𝜼 ∙ 𝒍 𝝅 ∙ 𝒓 𝟒 Odpor dýchacích cest l - délka trubice  - viskozita r - poloměr trubice, má největší vliv na odpor díky 4. mocnině • bronchokonstrikce – zvýšení odporu • bronchodilatace – snížení odporu Alveolární systém Průměr alveolů: 0,1 – 0,3 mm Počet alveolů: 300 – 400 milionů Plocha alveolů: 50 – 100 m2 Tloušťka alveolu: desetina m  Účinná výměna plynů https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/images/thumb/d/d4/Alveolar-sac-01.jpg/300px-Alveolar-sac-01.jpg http://images.slideplayer.cz/10/2900749/slides/slide_43.jpg Pneumocyt I. typu Pneumocyt II. typuProstor alveolu Prostor alveolu kapilára Složení alveolu • Pneumocyt I. typu - tvoří membránu alveolu • Pneumocyt II. typu - tvorba surfaktantu • Kapiláry – často menší než velikost krvinky • Makrofágy Mechanika dýchání • Hlavní nádechové svaly: bránice (80 % dechové práce), zevní mezižeberní svaly • Pomocné dýchací svaly: m. sternocleidomastoideus, skupina skalenových svalů • Výdechové svaly: vnitřní mezižeberní svaly, svaly přední stěny břišní nádech výdech Nádech je aktivní Klidový výdech pasivní - elastické vlastnosti plic a hrudního koše Usilovný výdech je aktivní Mechanika dýchání akcesorní svaly mm. intercostales ext. diafragma mm. intercostales int. břišní svaly inspirační svaly exspirační svaly Tlaky v plicích pohrudnice http://worldartsme.com/images/happy-lungs-clipart-1.jpg poplicnice Pleurální štěrbina – mezi poplicnicí a pohrudnicí Pleurální tekutina Alveolární (pulmonální) tlak Pleurální (štěrbinový) tlak (vždy záporný) Objem vdechovaného vzduchu atmosférický tlak (zde 0) Elastické vlastnosti plic Plicní poddajnost (compliance): 𝐶 = ∆𝑉 ∆𝑃 Pozor, elasticita = 1/C Dostatečná poddajnost usnadňuje nádech. Patologicky zvýšená poddajnost ztěžuje výdech (plicní emfyzém). Nízká poddajnost ztěžuje nádech. Elasticita plic je dána: • Vlastní tkáňovou elasticitou (vlákna elastinu a kolagenu) • Silami povrchového napětí (síly povrchového napětí v alveolech: rozhraní tekutina-vzduch) Dechová práce (P. V) • Elastická (65%) – překonání elastických sil hrudníku a plic • Dynamická práce (35%) • překonání odporu dýchacích cest (28%) • Překonání tření při vzájemném pohybu neelastickcých tkání (7%) V PP V Laplaceův zákon P1 > P2 P1 P2r T P 2 =Pr T P: tlak v alveolu, T: tenze alveolární stěny, r: poloměr alveolu Tenze stěny alveolu je určována povrchovým napětím na rozhraní tekutina-vzduch Laplaceův zákon (při konstantní tenzi): čím větší je poloměr alveolu, tím menší je tlak v alveolu  docházelo by k přesunu vzduchu z menšího alveolu do většího  kolaps menších alveolů Plicní surfaktant • tvořen pneumocytem II. typu • snižuje povrchové napětí v závislosti na velikosti alveolu - čím menší je alveol, tím nižší je povrchové napětí • zvyšuje poddajnost plic, snižuje dechovou práci • fosfolipid (dipalmitoyl fosfatidyl cholin) – hydrofilní a lipofilní část T T r T P 2 = Statické plicní objemy a kapacity Statické plicní objemy: • dechový objem VT (0,5 l) • inspirační rezervní objem IRV (2,5 l) • exspirační rezervní objem ERV (1,5 l) • reziduální objem RV (1,5 l) VT Statické plicní kapacity: • vitální kapacita plic VC (4,5 l) = IRV+VT+ERV • celková kapacita plic TC (6 l) = IRV+DV+ERV+RV • inspirační kapacita IC (3 l) = IRV+DV • funkční reziduální kapacita FRC (3 l) = ERO+RO IC IRV EC ERV RV VC FRC • Závisí na výšce, váze, věku a pohlaví • Všechny objemy lze měřit spirometricky kromě RV a FRC Dynamické plicní parametry • Dechová frekvence f • Klidová (12 – 15 dechů za minutu) • Maximální • Minutová ventilace plic • Klidová MV (cca 8 l/min) • Maximální MMV (až 160 l/min) • Dechová rezerva = MMV/MV Plicní poruchy Obstrukce : zvýšený podpor dýchacích cest (astma, bronchitida, otok hlasivek,… ) Restrikce: snížené plicní objemy (nádor, zánět, otoky plic, pneumotorax,… ) restrikce FVC 0 1 2 3 4 1s 1 s V [l] Dynamické plicní parametry – usilovný výdech FEV1 obstrukce • Usilovná vitální kapacita FVC • Absolutní jednosekundová vitální kapacita FEV1 • Relativní jednosekundová vitální kapacita (Tiffaneův index): 𝐹𝐸𝑉1 𝐹𝑉𝐶 ~ 0,7 − 0,8 Tiffaneův index < 0,7: podezření na obstrukční poruchu Tiffaneův index blízký 1: podezření na restrikční poruchu Obstrukčně-restrikční porucha: index je nezměněn Diagnostika obstrukčně restrikčních chorob probíhá na základě více parametrů (rychlost výdech, FEV0,5,…) BAROMETRICKÝ TLAK VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg 20 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) O2 20,98 % FO2  0,21 N2 78,06 % FN2  0,78 CO2 0,04 % FCO2 0,0004 Ostatní složky = PO2 = 760 x 0,21 = ~160 mm Hg PN2 = 760 x 0,78 = ~593 mm Hg PCO2 = 760 x 0,0004 = ~ 0,3 mm Hg PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU Časový průběh vyrovnávání pO2 a pCO2 v kapiláře s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg 40 100 60 80 mm Hg doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0,75 s Δ PO2 = 60 mm Hg Δ PCO2 = 6 mm Hg venózní krev PO2 40 PCO2 46 mm Hg vyrovnaný stav s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg PO2 PCO2 Ventilace - perfuze Transport kyslíku http://themedicalbiochemistrypage.org/images/hemoglobin.jpg hemoglobin hem • Většinou chemicky vázaný na hemoglobin (Fe2+): 1 molekula hemoglobinu váže 4 molekuly O2 • Méně fyzikálně rozpuštěný v plazmě (1,4%) • Hemoglobin: • 2 α, 2  podjednotky, • Každá podjednotka má 1 hem, který váže 1 O2  hemoglobin váže 4 molekuly O2 • Fetální hemoglobin (2α, 2, vysoká afinita k O2) • Methemoglobin (Fe3+) • Karboxyhemoglobin (otrava CO) • Karbaminohemoglobin (navázaný CO2) • Oxyhemoglobin (navázaný O2) • Deoxyhemoglobin (bez navázaného plynu) Saturace hemoglobinu kyslíkem 100% 50%  teploty pH pCO2  DPG  teploty  pH  pCO2  DPG pO2 25 50 75 100 Transport oxidu uhličitého • fyzikálně rozpuštěný – 5% • chemicky vázaný – KHCO3 a NaHCO3 –75-80% • vazba na plazmatické bílkoviny – karbaminohemoglobin a karbaminoproteiny – 15-20% • v červených krvinkách: enzym karbondehydrogenáza – urychluje tvorbu a rozklad H2CO3 Oxid uhličitý snižuje pH krve, funguje v krvi jako pufr CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3 - Regulace dýchání Hypoxie nedostatek kyslíku ve tkáních (neplést s ischemií) (ischemie – nedostatečné prokrvení tkáně – zahrnuje hypoxii, hyperkapnii, nahromadění metabolitů, nedostatek živin,….) • Hypoxická hypoxie – méně pO2 v arteriální krvi(menší % kyslíku ve vzduchu, vyšší nadmořská výška, porucha dýchacích svalů, dechového centra, opiáty, porucha ventilace-perfuze, snížená difuze přes alveolární membránu) • Anemická hypoxie – porucha přenosu kyslíku krví (méně krvinek, méně hemoglobinu, nefunkční hemoglobin, otrava CO) • Ischemická (cirkulační, stagnační) hypoxie – snížený průtok krve tkání (obstrukce arterie, selhávání srdce) • Histotoxická hypoxie - porušené využití O2 buňkami (toxiny, kianid) Hyperkapnie a hypokapnie Hyperkapnie: • Vyšší pCO2 • snížené pH krve • zmatenost, poruchy smyslové ostrosti, nakonec koma s útlumem dýchání a smrt Hypokapnie: • Hypoxie mozku díky vazokonstrikci cév - ztráta orientace, závratě, parestézie • Zvýšené pH, při hyperventilaci – tetanické křeče, ztráta vědomí