Układ oddechowy: budowa i działanie

Układ oddechowy człowieka składa się z dróg oddechowych (górnych i dolnych) oraz z płuc. Zadaniem układu oddechowego jest wymiana gazowa pomiędzy organizmem a środowiskiem. Jak zbudowany jest układ oddechowy i jak działa?

Spis treści

1. Budowa układu oddechowego
2. Wentylacja płuc
3. Częstość oddechów
4. Objętości i pojemności płuc
5. Dyfuzja gazów pomiędzy powietrzem pęcherzykowym a krwią
6. Transport gazów za pośrednictwem krwi
7. Dyfuzja gazów pomiędzy krwią a komórkami
8. Oddychanie wewnętrzne
9. Regulacja oddychania

Układ oddechowy człowieka ma umożliwić oddychanie - proces wymiany gazów, a konkretnie tlenu i dwutlenku węgla, pomiędzy organizmem a środowiskiem. Każda komórka naszego ciała potrzebuje tlenu do prawidłowego funkcjonowania i wytwarzania energii. Proces oddychania dzieli się na:

• oddychanie zewnętrzne (external respiration) - doprowadzenie tlenu do komórek
• oddychanie wewnętrzne (internal respiration) - wewnątrzkomórkowe

Oddychanie zewnętrzne zachodzi dzięki synchronizacji układu oddechowego z ośrodkami nerwowymi i dzieli się na szereg procesów:

• wentylacja płuc
• dyfuzja gazów pomiędzy powietrzem pęcherzykowym i krwią
• transport gazów za pośrednictwem krwi
• dyfuzja gazów pomiędzy krwią a komórkami

Budowa układu oddechowego

Na drogi oddechowe składają się:

• górne drogi oddechowe, czyli: jama nosowa (cavum nasi) i gardło (pharynx)
• dolne drogi oddechowe: krtań (larynx), tchawica (trachea), oskrzela (bronchi) – prawe i lewe, które dalej dzielą się na mniejsze odgałęzienia, a te najdrobniejsze przechodzą w oskrzeliki (bronchioli)

Końcowa część dróg oddechowych prowadzi do pęcherzyków płucnych (alveoli pulmonales). Wdychane powietrze przechodząc przez drogi oddechowe zostaje oczyszczone z kurzu, bakterii i innych drobnych zanieczyszczeń, nawilżone i ogrzane. Natomiast budowa oskrzeli, poprzez połączenie elementów chrzęstnych, sprężystych i mięśni gładkich pozwala na regulację ich średnicy. Gardło jest miejscem gdzie krzyżuje się układ oddechowy i pokarmowy. Z tego powodu podczas przełykania dochodzi do zatrzymania oddechu i zamknięcia dróg oddechowych przez nagłośnię.

• płuca - parzyste narządy położone w klatce piersiowej.

Pod względem anatomiczno-funkcjonalnym płuca dzielą się na płaty (lewe płuco na dwa płaty, a prawe na trzy), płaty dalej dzielą się na segmenty, segmenty na zraziki, a zraziki na gronka.

Każde płuco otaczają dwie warstwy tkanki łącznej - opłucna ścienna (pleura parietalis) i opłucna płucna (pleura pulmonalis). Pomiędzy nimi znajduje się jama opłucnej (cavum pleurae), a płyn znajdujący się w niej umożliwia przyleganie płuca pokrytego opłucną płucną do opłucnej ściennej zrośniętej z wewnętrzną ścianą klatki piersiowej. W miejscu, gdzie oskrzela wnikają do płuc znajdują się wnęki płucne, do których obok oskrzeli wnikają także tętnice oraz żyły płucne.Poza tym mięśnie poprzecznie prążkowane szkieletowe, krew i układ sercowo-naczyniowy oraz ośrodki nerwowe biorą udział w skomplikowanym procesie oddychania.

Wentylacja płuc

Istotą wentylacji jest wciągnięcie powietrza atmosferycznego do pęcherzyków płucnych. Ponieważ powietrze zawsze przepływa od ciśnienia wyższego do niższego, odpowiednie partie mięśni biorą udział w każdym wdechu i wydechu umożliwiając ruchy ssąco-tłoczące klatki piersiowej.

Pod koniec wydechu ciśnienie w pęcherzykach płucnych jest równe atmosferycznemu, ale w trakcie nabierania powietrza dochodzi do skurczu przepony (diaphragma) i mięśni międzyżebrowych zewnętrznych (musculi intercostales externi), dzięki temu powiększa się objętość klatki piersiowej i wytwarza podciśnienie zasysające powietrze.

Gdy zapotrzebowanie na wentylację wzrasta uruchomione zostają dodatkowe mięśnie wdechowe: mięśnie mostkowo-obojczykowo-sutkowe (musculi sternocleidomastoidei), mięśnie piersiowe mniejsze (musculi pectorales minores), mięśnie zębate przednie (musculi serrati anteriores), mięśnie czworoboczne (musculi trapezii), mięśnie dźwigacze łopatki (musculi levatores scapulae), mięśnie równoległoboczne większe i mniejsze (musculi rhomboidei maiores et minores) i mięśnie pochyłe (musculi scaleni).

Kolejnym etapem jest wydech. Rozpoczyna się gdy na szczycie wdechu dochodzi do rozluźnienia mięśni wdechowych. Zwykle jest to proces bierny, gdyż aby klatka piersiowa zmniejszyła swoją objętość, wystarczają siły wytwarzane przez rozciągnięte elementy sprężyste w tkance płucnej. Ciśnienie w pęcherzykach płucnych wzrasta powyżej atmosferycznego i powstająca różnica ciśnień powoduje usunięcie powietrza na zewnątrz.

Sytuacja wygląda nieco inaczej przy nasilonym wydechu. Mamy z nim do czynienia, gdy rytm oddechowy jest wolny, gdy wydech wymaga pokonania zwiększonych oporów oddechowych np. w niektórych chorobach płuc, ale także przy czynności fonacyjnej, a zwłaszcza podczas śpiewu czy gry na instrumentach dętych. Pobudzone zostają motoneurony mięśni wydechowych, do których należą: mięśnie międzyżebrowe wewnętrzne (musculi intercostales interni) oraz mięśnie przedniej ściany jamy brzusznej, przede wszystkim mięśnie proste brzucha (musculi recti abdominis).

Częstość oddechów

Częstość oddechów podlega dużej zmienności i zależy od wielu różnych czynników. Dorosły człowiek pozostający w spoczynku powinien oddychać 7-20 razy na minutę. Czynniki wywołujące wzrost częstości oddechów, nazywanej fachowo tachypnoe, to: wysiłek fizyczny, schorzenia płuc, a także zaburzenia oddychania pochodzenia pozapłucnego. Natomiast bradypnoe, czyli znaczny spadek ilości oddechów może wynikać z chorób neurologicznych czy ośrodkowych działań niepożądanych leków narkotycznych. Dzieci różnią się w tym względzie od dorosłych: im mniejszy brzdąc, tym wyższa fizjologiczna częstość oddychania.

Objętości i pojemności płuc

• TLC (total lung capacity) - całkowita pojemność płuc – objętość, która znajduje się w płucach po najgłębszym wdechu
• IC - pojemność wdechowa - wciągana do płuc w czasie najgłębszego wdechu po spokojnym wydechu
• IRV (inspiratory reserve volume) - objętość zapasowa wdechowa - wciągana do płuc w czasie maksymalnego wdechu wykonywanego na szczycie swobodnego wdechu
• TV (tidal volume) - objętość oddechowa - wdychana i wydychana w czasie swobodnego wdechu i wydechu
• FRC - pojemność zalegająca czynnościowa - pozostaje w płucach po spokojnym wydechu
• ERV (expiratory reserve volume) - objętość zapasowa wydechowa - usuwana z płuc podczas maksymalnego wydechu po swobodnym wdechu
• RV (residual volume) - objętość zalegająca - pozostaje w płucach zawsze w czasie maksymalnego wydechu
• VC (vital capacity) - pojemność życiowa - usuwana z płuc po maksymalnym wdechu w czasie maksymalnego wydechu
• IVC (inspiratory vital capacity) - pojemność życiowa wdechowa - wciągana do płuc po najgłębszym wydechu przy maksymalnym wdechu; może być nieco większa od VC, ponieważ w czasie maksymalnego wydechu poprzedzonego maksymalnym wdechem przewodziki pęcherzykowe zamykają się wcześniej, zanim powietrze wypełniające pęcherzyki zostanie usunięte

W czasie swobodnego wdechu objętość oddechowa wynosi 500 mL. Jednak nie cała ta objętość dostaje się do pęcherzyków płucnych. Ok 150 mL wypełnia drogi oddechowe, nieposiadające warunków do prowadzenia wymiany gazowej między powietrzem a krwią, czyli jamę nosową, gardło, krtań, tchawicę, oskrzela i oskrzeliki. Jest to tzw. martwa przestrzeń anatomiczna (anatomical respiratory dead space). Pozostałe 350 mL miesza się z powietrzem stanowiącym pojemność zalegającą czynnościową, jednocześnie ogrzewa się i wysyca parą wodną. W pęcherzykach płucnych znowu niecałe powietrze podlega wymianie gazowej. W naczyniach włosowatych ściany części pęcherzyków krew nie przepływa lub przepływa jej zbyt mało, by wykorzystać całe powietrze do wymiany gazowej. Jest to fizjologiczna przestrzeń martwa (physiological respiratory dead space) i u zdrowych ludzi jest mała. Niestety może się znacznie powiększać w stanach chorobowych.

Częstość oddechów w czasie spoczynku wynosi średnio 16 na minutę, a objętość oddechowa 500 mL, mnożąc te dwie wartości otrzymujemy wentylację minutową płuc (pulmonary ventilation). Z tego wynika, że około 8 litrów powietrza jest wdychane i wydychane w ciągu minuty. W trakcie wykonywania szybkich i głębokich oddechów wartość może znacznie wzrastać, nawet od kilkunastu do dwudziestu kilku razy.

Te wszystkie skomplikowane parametry: pojemności i objętości nie zostały wprowadzone tylko aby zamieszać nam w głowie, ale mają istotne zastosowanie w diagnostyce chorób płucnych. Istnieje badanie - spirometria, które umożliwia pomiar: VC, FEV1, FEV1/VC, FVC, IC, TV, ERV oraz IRV. Jest ona niezbędna do rozpoznania i monitorowania przebiegu chorób takich jak astma oraz POChP.

Dyfuzja gazów pomiędzy powietrzem pęcherzykowym a krwią

Podstawową strukturą tworzącą płuca są pęcherzyki płucne. Jest ich ok 300-500 milionów, każdy ma średnicę od 0,15 do 0,6 mm, a ich łączna powierzchnia wynosi od 50 do 90 m².

Ściany pęcherzyków buduje cienki nabłonek jednowarstwowy płaski. Obok komórek tworzących nabłonek, w pęcherzykach znajdują się dwa inne typy komórek: makrofagi (komórki żerne), a także komórki pęcherzykowe typu II, które wytwarzają surfaktant. Stanowi on mieszaninę białek, fosfolipidów i węglowodanów, produkowanych z kwasów tłuszczowych krwi. Surfaktant poprzez zmniejszanie napięcia powierzchniowego zapobiega sklejaniu się pęcherzyków i powoduje, że siły potrzebne do rozciągnięcia płuc są mniejsze. Od zewnątrz pęcherzyki pokrywa sieć naczyń włosowatych. Włośniczki dostając się do pęcherzyków niosą krew bogatą w dwutlenek węgla, wodę, ale z małą ilością tlenu. Natomiast w powietrzu pęcherzykowym ciśnienie parcjalne tlenu jest wysokie, a dwutlenku węgla niskie. Dyfuzja gazów zachodzi zgodnie z gradientem prężności cząsteczek gazów, zatem erytrocyty włośniczek wychwytują tlen z powietrza i pozbywają się dwutlenku węgla. Cząsteczki gazów muszą przejść przez ścianę pęcherzyka płucnego i ścianę naczynia włosowatego, a dokładnie przez: warstwę płynu pokrywającą powierzchnię pęcherzyków, nabłonek pęcherzyków, błonę podstawną, i śródbłonek naczyń włosowatych.

Transport gazów za pośrednictwem krwi

• transport tlenu

Najpierw tlen rozpuszcza się na drodze fizycznej w osoczu, ale zaraz dyfunduje przez otoczkę do erytrocytów, gdzie wiąże się z hemoglobiną tworząc oksyhemoglobinę (utlenowaną hemoglobinę). Hemoglobina odgrywa bardzo istotną rolę w transporcie tlenu, ponieważ każda jej cząsteczką łączy się z 4 cząsteczkami tlenu, zwiększając tym samym aż 70 krotnie zdolność krwi do transportu tlenu. Ilość tlenu transportowana w postaci rozpuszczonej w osoczu jest tak mała, że nie ma znaczenia w oddychaniu. Dzięki układowi krążenia krew wysycona tlenem dociera do każdej komórki organizmu.

• transport dwutlenku węgla

Dwutlenek węgla z tkanek dostaje się do naczyń włosowatych i jest transportowany do płuc:

• ok. 6% rozpuszczony fizycznie w osoczu i w cytoplazmie erytrocytów
• ok. 6% związany z wolnymi grupami aminowymi białek osocza i hemoglobiny (jako karbaminiany)
• większość czyli ok. 88% jako jony HCO3- związane przez wodorowęglanowy układ buforowy osocza i erytrocytów

Dyfuzja gazów pomiędzy krwią a komórkami

W tkankach po raz kolejny cząsteczki gazów przenikają zgodnie z gradientem prężności: uwolniony z hemoglobiny tlen dyfunduje do tkanek, natomiast dwutlenek węgla dyfunduje w kierunku przeciwnym - z komórek do osocza. Ze względu na różnice w zapotrzebowaniu różnych tkanek na tlen, występują także różnice w jego prężności. W tkankach o intensywnym metabolizmie, prężność tlenu jest mała, co za tym idzie zużywają one więcej tlenu, natomiast krew żylna odpływająca z nich zawiera mniej tlenu i więcej dwutlenku węgla. Różnica tętniczo-żylna w zawartości tlenu jest parametrem określającym stopień zużycia tlenu przez tkanki. Do każdej tkanki dopływa krew tętnicza z jednakową zawartością tlenu, natomiast krew żylna może zawierać go mniej lub więcej.

Oddychanie wewnętrzne

Oddychanie na poziomie komórkowym to wielostopniowy biochemiczny proces, polegający na utlenianiu związków organicznych, w których wytwarzana jest energia użyteczna biologicznie. Jest podstawowym procesem, który zachodzi nawet gdy inne procesy metaboliczne zostaną zatrzymane (alternatywne procesy beztlenowe są mało wydajne i mają ograniczone znaczenie).

Kluczową rolę odgrywają mitochondria - organella komórkowe, do których trafiają cząsteczki tlenu dyfundujące do wnętrza komórki. Na błonie zewnętrznej mitochondriów znajdują się wszystkie enzymy Cyklu Krebsa (inaczej cyklu kwasów trikarboksylowych), natomiast na błonie wewnętrznej enzymy łańcucha oddechowego.

W cyklu Krebsa metabolity cukrów, białek i tłuszczów utleniane są do dwutlenku węgla i wody z uwolnieniem wolnych atomów wodoru lub wolnych elektronów. Dalej w łańcuchu oddechowym - ostatnim etapie oddychania wewnątrzkomórkowego - poprzez przenoszenie elektronów i protonów na kolejne przenośniki, syntezowane są związki fosforowe wysokoenergetyczne. Najważniejszym z nich jest ATP czyli adenozyno-5′-trifosforan, uniwersalny nośnik energii chemicznej wykorzystywany w metabolizmie komórki. Zużywany jest przez liczne enzymy w procesach takich jak: biosynteza, ruch i podział komórek. Przetwarzanie ATP w organizmach żywych zachodzi nieustannie i szacuje się, że każdego dnia człowiek przekształca ilość ATP porównywalną ze swą masą ciała.

Regulacja oddychania

W rdzeniu przedłużonym znajduje się ośrodek oddechowy, który reguluje częstotliwość i głębokość oddechów. W jego skład wchodzą dwa ośrodki o przeciwstawnych funkcjach, zbudowane przez dwa rodzaje neuronów. Oba znajdują się w obrębie tworu siatkowatego. W jądrze samotnym i w części przedniej jądra tylno-dwuznacznego nerwu błędnego znajduje się ośrodek wdechu, który wysyła impulsy nerwowe do rdzenia kręgowego, do neuronów ruchowych mięśni wdechowych. Za to w jądrze dwuznacznym nerwu błędnego i w części tylnej jądra tylno-dwuznacznego nerwu błędnego znajduje się ośrodek wydechu, który pobudza neurony ruchowe mięśni wydechowych.

Neurony ośrodka wdechu kilkanaście razy na minutę wysyłają salwę impulsów nerwowych, które biegną gałązką zstępującą do neuronów ruchowych w rdzeniu kręgowym i jednocześnie gałązką wstępującą aksonu do neuronów tworu siatkowatego mostu. Tam znajduje się ośrodek pneumotaksyczny, który zwrotnie hamuje ośrodek wdechu na 1-2 sekundy po czym ośrodek wdechu pobudza się znowu. Dzięki kolejno występującym po sobie okresom pobudzania i hamowania ośrodka wdechu, zapewniona jest rytmiczność oddechów. Ośrodek wdechu podlega regulacji przez impulsy nerwowe powstające w:

• chemoreceptorach kłębków szyjnych i aortalnych, które reagują na wzrost stężenia dwutlenku węgla, koncentrację jonów wodoru lub znaczny spadek stężenia tlenu we krwi tętniczej; impulsy z kłębków aortalnych biegną za pośrednictwem nerwu językowo-gardłowego i nerwu błędnego. a efektem jest przyspieszenie i pogłębienie wdechów
• interoreceptorach tkanki płucnej oraz proprioreceptorach klatki piersiowej;
• między mięśniami gładkimi oskrzeli znajdują się mechanoreceptory inflacyjne, pobudza je rozciąganie tkanki płucnej, co wyzwala wydech; następnie zmniejszenie rozciągnięcia tkanki płucnej podczas wydechu, pobudza inne mechanoreceptory, tym razem deflacyjne, które wyzwalają wdech; Zjawisko to nosi nazwę odruchów Heringa-Breuera;
• Wdechowe lub wydechowe ustawienie klatki piersiowej drażni odpowiednie proprioreceptory i modyfikuje częstość i głębokość oddechów: im głębszy wdech, tym tym głębszy po nim wydech;
• ośrodkach wyższych pięter mózgowia: korze mózgu, układzie limbicznym, ośrodku termoregulacji w podwzgórzu