Fisiologi Sistem Respirasi

Fisiologi Sistem Respirasi
Drh. Fika Yuliza Purba, M.Sc.
Pokok Bahasan
•
•
•
•
•
•
Ventilasi paru-paru dan pengaturannya
Aliran darah pulmonal
Pertukaran gas
Transport oksigen dan metabolit
Fungsi non-respiratoris paru-paru
Respirasi pada aves dan mamalia air
Pendahuluan
• Hewan menghasilkan energinya dari molekul2
besar yang diperoleh dari makanan. Glukosa
merupakan sumber energi utama, disamping
lemak dan protein
• Energi dihasilkan oleh proses biokimiawi yang
dikenal sebagai respirasi seluler yang terjadi di
dalam mitokondria dalam sel
Respirasi
• Proses dimana organisme mengambil energi
bebas
dalm
lingkungannya
dengan
mengoksidasi substrat organik
• Respirasi eksternal adalah pertukaran gas
antara jaringan metabolik dan udara atmosfir
• Respirasi internal adalah pertukaran gas di
dalam sel makhluk hidup
Respirasi
• Untuk terjadinya pertukaran gas pada suatu
organisme, perlu persyaratan:
– Organisme memiliki membran pernapasan
– Organisme memiliki cara untuk menyalurkan gas
ke dan dari membran pernapasan
– Organisme memiliki cara untuk mengangkut gas
antara membran dan sel tubuh
Respirasi
• Konsumsi oksigen dan produksi karbon
dioksida bervariasi tergantung pada laju
metabolisme masing-masing spesies hewan
• Spesies yang lebih kecil membutuhkan oksigen
per kg berat badan lebih besar dari spesies
yang lebih besar
• Kuda dan anjing merupakan spesies yang
paling “aerobik”
Respirasi
• Respirasi juga berfungsi dalam:
– Termoregulasi
– Metabolisme senyawa endogen dan eksogen
– Proteksi organisme terhadap polutan, gas toksik
dan agen-agen infeksius
Respirasi
• Respirasi meliputi:
– Ventilasi
– Distribusi gas dalam paru-paru
– Difusi gas pada membran alveokapiler
– Transport oksigen dalam darah dari paru-paru ke
jaringan kapiler dan karbondioksida (arah
sebaliknya)
– Difusi gas antara darah dan jaringan
Respirasi
Ventilasi Paru-Paru
• Ventilasi adalah pergerakan gas menuju dan
keluar ke dan dari paru-paru
• Kebutuhan oksigen metabolisme adalah
sejumlah gas yang masuk ke dalam paru-paru
(alveoli) per menit.
• Total volume udara yang dihirup per menit
disebut minute ventilation (VE)
Ventilasi Paru-Paru
• VE ditentukan dari:
– Tidal volume = Total volume udara per sekali nafas
– Frekuensi pernapasan = jumlah nafas per menit
• VE meningkat apabila laju metabolisme
meningkat
Ventilasi Paru-Paru
• Udara masuk ke dalam alveoli setelah melalui
hidung, rongga hidung, faring, laring, trakea,
bronki dan bronkiolus (conducting airways)
• Tidak terjadi pertukaran gas pada conducting
airways
• Oleh karena itu disebut anatomic dead-space
Ventilasi Paru-Paru
• Equipment dead-space = endotracheal tube
• Alveolar dead-space = volume udara yang
bersirkulasi buruk ke dalam alveoli
Gas exchange does’nt occur
Gas exchange occurs (diffusion)
Ventilasi Paru-Paru
• Ventilasi
alveolar
dikendalikan
oleh
mekanisme regulasi konsumsi oksigen dan
eliminasi karbondioksida sesuai kebutuhan
metabolisme
• Ventilasi alveolar dapat meningkat apabila
hewan sedang berlatih
• Dead-space ventilation dapat terjadi di dalam
alveoli, akibat buruknya sirkulasi darah
Ventilasi Paru-Paru
• Ventilasi dead-space dibutuhkan saat:
– Panting pada anjing
– Heat stress pada sapi dan babi
– Cold stress
Ventilasi Paru-Paru
• Ventilasi membutuhkan energi muskular
• Pada hewan yang sedang istirahat, inspirasi
merupakan proses aktif, dan ekspirasi proses pasif
(kecuali pada kuda)
• Diafragma merupakan otot primer pada
proses respirasi
• Pada saat berkontraksi, diafragma terdorong
ke caudal sehingga rongga thorax melebar
Ventilasi Paru-Paru
• Inspirasi melibatkan m. Intercostalis eksternal
• Ekspirasi melibatkan m. Abdominal dan m.
intercostalis internal
• Pada saat latihan, aktivitas otot-otot respirasi
meningkat untuk meningkatkan VE
Ventilasi Paru-Paru
• Paru-paru bersifat sangat elastis (100 kali dari
balon)
• Elastisitas = kemampuan suatu struktur untuk
kembali pada ukuran semua setelah
mengalami distensi
• Elastisitas paru-paru = tekanan subatmosfer,
jika terpapar tekanan atmosfir, paru-paru akan
mengempis
• Stabilitas alveolar oleh 4 jenis protein
Cell alveolar type
II
Surfactant :
dipalmitoylphosphatidylcholine,
surfactant apoproteins, and calcium ions
Ventilasi Paru-Paru
• Kontraksi otot polos menentukan diameter
trakea, bronki dan bronkiolus
• Diinervasi oleh sarap parasimpatetik melalui
n. Vagus
• Pelepasan asetilkolin, brikatan dengan
reseptor muskarinik pada otot polos,
menyebabkan kontraksi dan bronkokonstriksi
• Kontraksi juga dapat ditimbulkan oleh
histamin dan leukotrine
Ventilasi Paru-Paru
• Relaksasi otot polos, kemudian dilatasi terjadi
akibat aktivasi reseptor adrenergik-β2 oleh
katekolamin dari medula adrenal
• Norepinefrin yang dilepaskan dari sistem
sarap simpatetik juga dapat menyebabkan
dilatasi
Ventilasi Paru-Paru
• Pertukaran gas yang optimal tergantung pada
kesesuaian ventilasi dan aliran darah
• Pada babi dan sapi, lobulus paru-paru terpisah
dengan jelas
• Pada anjing dan kucing, tidak terpisah
• Pada domba dan kuda, terpisah secara parsial
• Abnormalitas pertukaran gas akibat obstruksi
saluran udara lebih berbahaya pada babi dan
sapi
Aliran Darah Pulmonal
• Paru-paru menerima aliran darah dari sirkulasi
pulmonal dan sirkulasi bronkial
• Sirkulasi pulmonal menerima total output dari
ventrikel kanan jantung, berperan dalam
proses pertukaran udara
• Sirkulasi bronkial mensuplai aliran darah ke
saluran pernapasan dan struktur lain pada
paru-paru
Aliran Darah Pulmonal
• Arteri pulmonalis yang menyertai bronki
bersifat elastis, sedangkan pada bronkiolus
bersifat muskular
• Sapi dan babi memiliki lapisan otot tebal di
sekitar arteri pulmonalis, sedangkan kuda,
anjing dan domba lebih tipis
• Arteri pulmonalis > arteriol > kapiler
• Vena pulmonalis membawa aliran darah dari
kapiler ke atrium kiri jantung
Aliran Darah Pulmonal
• Pembuluh darah pulmonal dibagi atas:
– Pembuluh alveolar
– Pembuluh ekstra-alveolar, yaitu arteri pulmonalis,
vena, arteriol dan venula (bronchovascular
bundle)
• Diameter pembuluh darah memiliki fungsi
dalam menentukan perbedaan tekanan antara
bagian dalam dan luar pembuluh, atau
disebut tekanan transmural
Aliran Darah Pulmonal
• Selama latihan, sirkulasi pulmonal harus
mengakomodir peningkatan aliran darah
• Output kardia dapat meningkat 6-8 kali
selama latihan
• Peningkatan aliran darah > peningkatan
tekanan intravaskular > Pembuluh darah
pulmonal berdilatasi
Aliran Darah Pulmonal
• Pelepasan nitri oxide dari endothelium
menyebabkan relaksasi otot polos dan dilatasi
pembuluh darah
• Pada kebanyakan spesies, tekanan arterial
pulmonal selama latihan adalah 35 mm Hg,
tapi pada kuda lebih dari 90 mm Hg
Aliran Darah Pulmonal
• Sirkulasi bronkial menyuplai bagian saluran
pernapasan, pembuluh darah besar dan
pleura viseral pada beberapa spesies
• 2 % dari output ventrikel kiri jantung, berasal
dari arteri bronkoesofageal dan arteri
bronkialis
• Anastomose terjadi dengan arteri pulmonalis
pada level kapiler dan venula
Pertukaran Gas
• Penting dalam pertukaran gas:
– Udara mengandung 21% fraksi oksigen
– Tekanan barometer (tekanan barometrik maka
kerapatan molekul O2 , tekanan oksigen
berkurang)
PO2 = PB x FO2
PO2 atmosfer = 160 mm Hg
PO2 = tekanan oksigen
PB = tekanan barometrik (760 mm Hg)
FO2 = fraksi oksigen
Pertukaran Gas
• Udara dihangatkan pada suhu tubuh saat
inspirasi
• Konsentrasi gas yang masuk berkurang akibat
adanya molekul air sehingga:
PO2 = (PB-PH2O) x FO2
PO2 = 149 mm Hg
Pertukaran Gas
• PO2 lebih rendah di dalam alveolus dari pada
udara inspirasi karena terjadi pertukaran
oksigen dan karbondioksida terus menerus
• Komposisi gas alveolar ditentukan oleh laju
masuknya udara bebas dan pertukaran antara
oksigen dan karbondioksida
• Selama latihan, ventilasi alveolar harus
meningkat, jika tidak tekanan karbondioksida
alveolar akan meningkat
Pertukaran Gas
• Gangguan seperti kerusakan CNS, gangguan
saraf perifer, kegagalan pemompaan darah,
serta
obstruksi
dapat
menyebabkan
hipoventilasi alveolar sehingga tekanan
karbondioksida alveolar meningkat dan
oksigen menurun
• Hiperventilasi dapat terjadi apabila terjadi
hipoksia dan peningkatan suhu tubuh
Pertukaran Gas
• Pertukaran O2 dan CO2 terjadi antara alveolus dan
kapiler pulmonal secara difusi
• Difusi adalah pergerakan pasif dari gas melalui
gradien konsentrasi
• Laju pergerakan gas antara alveolus dan darah
ditentukan oleh:
–
–
–
–
Sifat fisik gas
Area yang tersedia untuk difusi
Ketebalan air-blood barrier
Gradien tekanan
Pertukaran Gas
• Selain melalui air-blood barrier, difusi gas juga
terjadi di dalam plasma, memungkinkan
oksigen untuk mencapai eritrosit dan
hemoglobin
• Pada saat latihan, otot mengambil banyak
oksigen dari darah sehingga darah vena yang
kembali ke paru-paru mengandung sedikit
oksigen
Pertukaran Gas
• Pertukaran gas antara jaringan dan darah juga
terjadi melalui difusi
• Jaringan dengan kebutuhan oksigen yang
tinggi memiliki kapiler yang lebih banyak
sehingga permukaan difusi menjadi lebih lebar
Pertukaran Gas
• Perhitungan rasio V/Q yaitu ventilasi dan
perfusi. Idealnya setiap alveoli menerima
udara dan darah dalam jumlah yang optimal
untuk pertukaran gas
• Darah
dari
paru-paru
yang
akan
didistribusikan berasal dari kapiler-kapiler
dengan rasio V/Q yang berbeda
• Komposisi darah arterial ditentukan oleh rasio
V/Q
Pertukaran Gas
• Untuk mengevaluasi pertukaran gas pulmonal,
darah yang melewati paru-paru (cth. Darah
arteri sistemik) dapat diuji
• Darah vena = sirkulasi darah dan metabolisme
jaringan
• Kecukupan ventilasi alveolar diuji dengan
pemeriksaan PACO2 yang meningkat melebihi
40 mm Hg pada saat hipoventilasi dan
menurun pada saat hiperventilasi
Transport gas
Transport oksigen dan metabolit
• Oksigen
– Sejumlah kecil Oksigen dibawa dalam plasma
– Sebagian besar oksigen berikatan dengan Hb
– Oksigen berdifusi dari alveoli ke dalam darah
Transport oksigen
• Hemoglobin mamalia terdiri dari 4 heme
• Setiap molekul hemoglobin dapat berikatan
dengan 4 molekul oksigen secara reversibel
• Perikatan oksigen-Hb terjadi melalui 4
tahapan
• Afinitas oksigen dari sebuah heme dipengaruhi
oleh eksigenasi heme lain
Transport oksigen
• Ikatan oksigen-Hb dipengaruh oleh PO2
• Pada PO2 lebih dari 70 mm Hg, ikatan oksigenHb semakin sedikit = jenuh
• Oxygen capacity adalah jumlah maksimal
oksigen yang dapat dibawa oleh darah pada
waktu tertentu
• Anemia = kurang eritrosit = penurunan oxygen
capacity
Anemia
Transport oksigen
• Darah yang terekspos pada tekanan oksigen
(min. 40 mm Hg) akan melepaskan oksigen ke
dalam jaringan
• Oxygen content = jumlah oksigen yang
berikatan dengan Hb
• Setelah oksigen keluar dari darah memasuki
jaringan, oxygen content berkurang, tapi
oxygen capacity tetap
Transport oksigen
• Ikatan oksihemoglobin dipengaruhi oleh:
– Suhu darah
– pH
– PCO2
– Konsentrasi fosfat
diphosphoglycerate)
– CO
organik
intraselular
(2,3-
Control factors
decrease
increase
Temperature
left shift
right shift
2.3-BPG
left shift
right shift
p(CO2)
left shift
right shift
pH (Bohr effect)
right shift (acidosis) left shift (alkalosis)
•Left shift: high O2 affinity
•Right shift: low O2 affinity
Sianosis
• Perubahan warna hemoglobin dari merah
cerah menjadi kebiruan
• Terlihat pada membran mukosa sebagai akibat
kondisi hipoksia
– Defisiensi uptake oksigen dari paru-paru
– Penurunan aliran darah ke jaringan perifer
(gangguan kardiovaskular)
Methemoglobin
• Fe2+ menjadi Fe3+ -> hemoglobin abnormal
• Kondisi dimana nitrit dan toksin lain berikatan
dengan zat besi sehingga hemoglobin
berwana kecokelatan
• Methemoglobin tidak dapat berikatan dengan
oksigen -> penurunan oxygen capacity
• Nitrit dapat diperoleh dari pakan
• Ruminan mengubah nitrat -> nitrit di dalam
rumen
Transport karbondioksida
• Karbondioksida dibawa dalam plasma darah dan
kombinasi kimia
• PCO2 jaringan lebih tinggi dari PCO2 darah,
sehingga CO2 berdifusi ke dalam darah
• 5% CO2 larut dalam darah
• Sebagian besar CO2 berdifusi ke dalam eritrosit
– Berikatan dengan air dan membentuk ion karbonat
– Carbamino coumpounds (ikatan CO2 dan NH-protein )
Transport gas saat latihan
• Laju transport gas dalam darah dipengaruhi
oleh laju metabolisme
• Meningkatnya kebutuhan gas = peningkatan
cardiac output = peningkatan uptake oksigen
dari paru-paru
• Mioglobin berfungsi transfer oksigen antara
sel-sel otot, juga dapat menyimpan oksigen
dalam jumlah kecil
Fungsi non-respiratoris paru-paru
1. Mekanisme pertahanan paru-paru
– Agen infeksi, allergen, endotoksin, polutan
(ammonia, asap kendaraan, oksidasi nitrogen
dan ozone)
– Mekanisme pertahanan spesifik dan non spesifik
– Penyebab utama: stres
•
Stres transportasi dapat mengakibatkan pneumonia
dan peluritis
Fungsi pertahanan
• Partikel dan komponen aerosol akan dieliminir
saat
mengenai
permukaan
epithel
trakeobronkial
• Mekanisme pertahanan: jaringan limfatik;
tonsil dan jaringan limfoid-bronkus
• Pola pernapasan mempengaruhi deposisi
partikel dalam saluran pernapasan
• Deposisi gas toksik tergantung pada
konsentrasi dan kelarutannya
Fungsi pertahanan
• Gas toksik dapat menstimulir berbagai
mekanisme pertahanan seperti bronkospasm,
hipersekresi mukus, batuk dan bersin
• Partikel yang terdeposit pada permukaan
epithel akan dibawa ke mucocilliary escalator
di dalam faring, dan tertelan
• Sistem mucocilliary terdiri dari lapisan mukus
sol dan gel
Fungsi pertahanan
Fungsi pertahanan
• Makrofag merupakan penyusun sebagian
besar sel dalam cairan alveolar
• Berasal dari monosit dan berdiferensiasi
selama berada dalam darah
• Complement, opsonin dan lisozyme bersama
makrofag berfungsi menghancurkan partikel
• Fungsi
makrofag
dipengaruhi
oleh
glukokortikoid dan corticosteroid
Fungsi pertahanan
• Cytokines dan chemokines = protein yang
dilepaskan oleh monosit, sel-sel epithel dan
endothelial yang terluka dan sel-sel lain.
• Fungsi utama menarik sel-sel yang berperan
dalam peradangan pada sisi terjadinya infeksi
• Cth: kerusakan epithel paru-paru atau adanya
bakteri menyebabkan pelepasan cytokines
tumor necrosis factor dan interleukin dari
makrofag
Pertukaran cairan pulmonal
• Filtrasi cairan terjadi antara kapiler dan
jaringan interstitial pada septum alveolar
• Pergerakan cairan keluar dari kapiler terjadi
antara sel-sel endothelial
• Epithel alveolar kurang permeabel daripada
kapiler endothelium, sehingga cairan tidak
akan mencapai alveoli sebelum terdapat
kerusakan epithel
Pertukaran cairan pulmonal
• Pergerakan cairan antara kapiler dan
interstitium dipengaruhi oleh perubahan
permeabilitas vaskular dan tekanan hidrostatik
dan onkotik
• Peningkatan tekanan hidrostatik kapiler terjadi
saat hewan latihan atau gagal jantung ->
peningkatan filtrasi cairan dari kapiler ke
interstitium
Pertukaran cairan pulmonal
• Ruang pleural mengandung sejumlah kecil
cairan yang berfungsi lubrikasi antara
permukaan pleural
• Cairan dikoleksi oleh pembuluh limfa melalui
stomata pada pleura parietal
• Akumulasi cairan terjadi apabila tekanan
kapiler meningkat atau permeabilitas vaskular
meningkat akibat peradangan (pleuritis)
Fungsi metabolik
• Karena menerima total output kardia, kapiler
pulmonal dengan permukaan endothelial-nya
berfungsi membersihkan darah dari senyawasenyawa yang dihasilkan oleh bagian tubuh
lain
• Serotonin,
norepinephrine,
bradykinine,
angiotensin
• Toksin dari tanaman Crotalaria
Sistem Respirasi pada Aves
Sistem Respirasi pada Aves
• Fungsi:
– Menyuplai oksigen ke dalam jaringan dan
mengeluarkan karbondioksida
– Termoregulasi
Sistem Respirasi Aves
• Seekor burung yang sedang terbang
membutuhkan energi lebih banyak daripada
mamalia
• Ketinggian mengakibatkan komposisi oksigen
dalam udara menjadi lebih sedikit
Sistem Respirasi Aves
• Sistem respirasi Aves terdiri dari:
– Paru-paru yang terbagi atas 2 bagian yang sama
yang dihubungkan oleh trakea
– 9 kantung udara yang berperan penting, namun
tidak berfungsi pertukaran gas
Sistem Respirasi pada Aves
• Kantung udara memungkinkan aliran udara yang
selalu “segar” (kaya oksigen) ke dalam paru-paru
• Pada Aves, lebih banyak oksigen tersedia untuk
berdifusi ke dalam darah
• Kantung udara:
–
–
–
–
–
Interclavicular (1)
Cervical(2)
Anterior thoracic (2)
Posterior thoracic (2)
Abdominal (2)
Anatomi Respirasi Aves
Kantung udara
• Undirectional (Aves)
Biderictional (mamalia)
Sistem Respirasi Aves
• Aves dapat bernafas melalui mulut dan hidung
• Udara masuk dan menuju faring, kemudian
melewati trakea
• Trakea membagi dua ke dalam bronki primer
pada syrinx
• Bronki primer masuk ke dalam paru-paru dan
disebut mesobronki
• Mesobronki bercabang menjadi dorsobronki
dan parabronki
Sistem Respirasi Aves
• Parabronki mengandung ratusan kapiler udara
yang disuplai oleh kapiler darah
• Kapiler udara merupakan tempat pertukaran
udara antara paru-paru dan darah
• Udara bergerak menuju ventrobronki
Sistem Respirasi Aves
Mekanisme inspirasi dan ekspirasi
Inspirasi
Ekspirasi
Kontrol Ventilasi
• Ventilasi dan laju respirasi dikendalikan oleh
kebutuhan oksigen akibat aktivitas metabolik
dan input sensorik
• Kontrol respirasi terletak dalam otak, pada
pons dan medulla oblongata