Prof. dr Vladimir JakovljeviProf. dr Vladimir Jakovljevićć
Predsednik Društva fiziologa Republike Srbije,Council Member International Atherosclerosis Society
Sreda, 11. 12. 2013. god
FIZIOLOGIJA RESPIRATORNOG SISTEMA (2)TRANSPORT GASOVAREGULACIJA DISANJA
ТRANSPORT KISEONIKA I UGLJEN-DIOKSIDA U KRVI I
TELESNIM TEČNOSTIMA
Preuzimanje kiseonika iz alveola u cirkulaciju se odvija u plućnim kapilarima.
• na arterijskom kraju kapilara PO2 ≈ 40 mmHg
• na venskom kraju kapilara PO2 ≈ 104 mmHg
• kompletno preuzimanje kiseonika iz alveola u kapilare se završava već u prvoj trećini dužine kapilara (faktor sigurnosti)
Za vreme mišićnog rada:• krv stiže u pluća sa manjim
sadržajem kiseonika• krv brže protiče kroz plućne kapilare
Kompletnu oksigenaciju krvi u toku mišićnog rada omogućava:
• povećanje difuzionog kapaciteta (3x)
• produženo preuzimanje kiseonika čitavom dužinom kapilara
Dinamika PO2 u cirkulatornom sistemu:
• u venskoj krvi PO2 ≈ 40 mmHg
• u plućnim kapilarima PO2 se povećava na ≈ 104 mmHg
• u levoj pretkomori krv iz pluća se meša sa krvlju iz bronhijalnih vena (fiziološki šant) i PO2 se smanjuje na ≈ 95 mmHg (venska primesa)
• u arterijskoj krvi PO2 ≈ 95 mmHg
• u siсtemskim kapilarima PO2 se smanjuje na ≈ 40 mmHg
• venska krv (PO2 ≈ 40 mmHg) ponоvo stiže u pluća
Uticaj veličine protoka krvi na PO2 u intersticijumu:
• povećanje protoka krvi povećava PO2 u intersticijumu
• smanjenje protoka krvi smanjuje PO2 u intersticijumu
Uticaj intenziteta metabolizma na PO2 u intersticijumu:
• povećanje intenziteta metabolizma smanjuje PO2 u intersticijumu
• smanjenje intenziteta metabolizma povećava PO2 u intersticijumu
TRANSPORT KISEONIKA KRVLJU:
• 97% vezan za hemoglobin (oksihemoglobin)
• 3% rastvoren u vodi (plazmi)
Vezivanje kiseonika za hemoglobin je labavo i reverzibilno:
• pri visokim PO2 Hgb vezuje O2
• pri niskim PO2 Hgb otpušta O2
Kriva disocijacije oksihemoglobina:
• pri PO2 od 95 mmHg (arterijska krv) saturacija Hgb kiseonikom je 97%
• pri PO2 od 40 mmHg (venska krv) saturacija Hgb kiseonikom je 75% (blagi nagib krive)
• smanjenje PO2 ispod 40 mmHg naglo smanjuje saturaciju Hgb kiseonikom (strmi nagib krive)
• Pomeranje krive u levo i udesno:
Vidi faktore koji na ovo pomeranje utiču (slika)
U bazalnim uslovima tkivne potrebe za kiseonikom iznose oko 50 ml/l krvi.
U uslovima fizičkog opterećenja 1 L krvi može u tkivima otpustiti i 150 ml kiseonika
(u venskoj krvi ostaje 50 ml kiseonika, koeficijent utilizacije je oko 75%) čemu odgovara strmi deo krive disocijacije oksihemiglobina.
TRANSPORT UGLJEN-DIOKSIDA KRVLJU:
• 70% u obliku bikarbonata (uloga karboanhidraze, pomak hlorida)
• 23% u obliku karbaminohemoglobina
• 7% rastvoren u vodi (veća rastvorljivost od kiseonika)
REGULACIJA DISANJA
Respiratorni centar (centar za disanje) – nekoliko grupa neurona smeštenih bilateralno u produženoj moždini i ponsu:
• dorzalna grupa respiratornih neurona
• ventralna grupa respiratornih neurona
• pneumotaksički centar • apneustički centar
Dorzalna grupa respiratornih neurona (produžena moždina u n. tractus solitarii, gde se završavaju senzorna vlakna n. vagusa i n. glosofaringeusa iz hemoreceptora i baroreceptora)
• stvaraju osnovni ritam disanja (repetitivno odašiljanje impulsa)
• “ramp“ (stepenasti) inspiratorni signal –
vrlo slab na početku, pojačava se
postepeno tokom 2 sekunde,
a onda prestaje na 3 sekunde
(sprečavaju se nagle promene volumena vazduha u inspirijumu)
• kontrola inspiratornog signala – kontrola brzine pojačanja i kontrola trajanja signala
Ventralna grupa respiratornih neurona (ispred i spolja dorzalne grupe neurona u n. ambiguus i n. retroambiguus)
• potpuno neaktivna za vreme mirnog disanja (inspirijum kontroliše dorzalna grupa, ekspirijum je pasivan – elastičnost pluća)
• učestvuju u forsiranoj ventilaciji (pojačavaju inspirijum zajedno sa dorzalnom grupom neurona koja ih stimuliše)
• neki neuroni uzrokuju inspiraciju, dok drugi izazivaju snažni ekscitatorni signal za abdominalnu ekspiratornu muskulaturu
Pneumotaksički centar (gornji deo ponsa u n. parabrachialis)
• isključivanje inspiratornog stepenastog signala iz dorzalne grupe neurona
• skraćenje dužine respiratornog ciklusa• povećanje frekvence disanja
Apneustički centar ??? (donji deo ponsa)• signali apneustičkog centra sprečavaju
isključivanje stepenastog signala iz dorzalne grupe neurona
• inspiracija se produžava – pluća se prepunjavaju vazduhom
• kontrola dubine disanja ?
HEMIJSKA KONTROLA DISANJA
• direktna hemijska kontrola aktivnosti respiratornog centa (uloga CO2 i H jona)
• periferni hemoreceptorski sistem za
kontrolu disanja (uloga kiseonika)
Direktna hemijska kontrola aktivnosti respiratornog centa
• hemosenzitivno područje respiratornog centra (bilateralno u produženoj moždini,
1 mm od ventralne površine)
• H joni su najjači (primarni) stimulus hemosenzitivnog područja (ali H joni iz krvi teško prolaze hematoencefalnu barijeru)
• CO2 je glavni stimulus hemosenzitivnog područja - iako ima slabiji efekat, lako prolazi hematoencefalnu barijeru, reaguje sa vodom i stvara ugljenu kiselinu koja disosuje na bikarbonatni i H jon (aktivira hemosenzitivno područje)
• aktivacija hemosenzitivnog područja pomoću CO2 iz cerebrospinalne tečnosti je brža (manji sadržaj proteinskog pufera u likvoru)
Periferni hemoreceptorski sistem za kontrolu disanja
• periferni hemoreceptori su smešteni u karotidnim i aortnim telašcima (manji broj se nalazi u arterijama grudne i trbušne duplje)
• smanjenje PO2 u arterijskoj krvi ispod fizioloških vrednosti (oko 95 mmHg) stimuliše hemoreceptore koji
• povećavaju frekvencu odašiljanja impulsa
Regulacija disanja za vreme fizičke aktivnosti
• intenzivna fizička aktivnosti može povećati potrošnju kiseonika i produkciju ugljendioksida za 20x
• alveolarna ventilacija se povećava proporcionalno potrebama organizma u cilju održavanja stalnih koncetracija gasova u krvi
Razlozi povećanja alveolarne ventilacije za vreme fizičke aktivnosti (nervna regulacija):
• mozak šaljući impulse koji kontrolišu motornu aktivnost istovremeno šalje stimulatorne signale u respiracijski centar
• aktivni ekstremiteti (iz proprioreceptora u zglobovima) šalju stimulatorne signale u respiracijski centar
U toku regulacije disanja za vreme fizičke aktivnosti nervni i humoralni faktori koji utiču na veličinu alveolarne ventilacije imaju složene interakcije (naizmenično preuzimanje glavne kontrolne uloge). Posledice su velike oscilacije veličine alveolarne ventilacije i parcijalnih pritisaka kiseonika i ugljendioksida u krvi (gornja slika).
Kvantitavni odnos nervnih i humoralnih faktora koji utiču na veličinu alveolarne ventilacije se uočava u pomeranju krive alveolarne ventilacije (posledica nervne regulacije) za vreme fizičke aktivnosti (donja slika).
VEŽBA: Energetski aspekti metabolizma hranljivih materija
Putem hrane unosimo u organizam brojne materije koje u svojoj osnovi predstavljaju energetske izvore:
1. UGLJENI HIDRATI 2. MASTI 3. BELANČEVINE
Potpunim metabolisanjem hranljivih materija u organizmu nastaju CO2 i H2O (i azot), kao i značajna količina energije.
METABOLIZAM
Promet materije i energije
1. Anabolizam – utrošak energije
2. Katabolizam – oslobađanje energije
Od ukupne količine oslobođene hemijske energije:
- 30-50% odmah prelazi u toplotu- 50-70% se pretvara u elemente fosfagenog
sistema - (sinteza energetski bogatih jedinjenja: ATP, kreatin-fosfat), ili se deponuje u vidu energetskih rezervi (glikogen, trigliceridi...)
Zbog konačnog prelaska metaboličke (hemijske) energije u toplotu, intenzitet metabolizma, odnosno energetski promet u organizmu procenjuje se na osnovu količine oslobođene toplote i izražava se u toplotnim jedinicama.
JEDINICE KOJE SE KORISTE U MERENJU ENERGETSKOG METABOLIZMA
• Međunarodni merni sistem (SI) – Džul (J)koji odgovara energiji utrošenoj za pomeranje jednog kilograma za jedan metar silom od 1 N.
• U praksi se češće koristi kalorija - cal jedinica koja predstavlja količinu toplotne energije potrebnu da se 1 g vode
zagreje za 1°C
1 kcal = 1000 cal
1 kcal = 4.184 kJ
KALORIJSKI KOEFICIJENT HRANLJIVIH MATERIJA:
1 gram ugljenih hidrata – 4.1 kcal (17.1kJ) 1 gram lipida – 9.3 kcal (38.9kJ) 1 gram proteina – 4.1 kcal (17.1 kJ)
5.3 kcal (22.2kJ)
proteini se u ljudskom organizmu ne razlažu do konačnih produkata (već samo do ureje!)
TOPLOTNI EKVIVALENT KISEONIKA(TEO2)
Količina toplote oslobođena potpunom oksidacijom neke materije pri utrošku 1 litra kiseonika
Ugljeni hidrati: 5 kcal (21 kJ)Masti: 4.7 kcal (19.7 kJ)Belančevine: 4.6 kcal (19.3 kJ)Za mešovitu,
izbalansirnu ishranu: 4.825 kcal (20.2 kJ)
RESPIRACIJSKI KOLIČNIK (RQ) RQ = vol. CO2
vol. O2
VREDNOSTI RQ Угљени хидрати – 1
Mасти – 0.71
Беланчевине – 0.83
Meшовита, избалансирана исхрана – 0.82
ODREĐIVANJE UKUPNIH ENERGETSKIH POTREBA (ENERGETSKI PROMET)
• Osnovne metaboličke potrebe
(Basal Metabolic Rate – BMR) i/ili
Energetske potrebe u mirovanju
(Resting Metabolic Rate – RMR)
• Pridodat energetski promet:
- Energetski – termički efekat hrane ili specifično dejstvo hrane (SDH)
(Thermic Effect of Food – TEF)
- Obavljanje fizičke aktivnosti
Bazalni metebolizam (def.) – minimalna količina energije potrebna za održavanje osnovnih funkcija organizma.
Merenje intenziteta bazalnog metabolizma (BMR) vrši se u sledećim uslovima:
• Temperatura vazduha u prostoriji mora biti prijatna (17-22°C) • Ispitanik ne sme da jede najmanje 12 časova• Ispitivanje se vrši posle dobro prospavane noći• Ispitanik ne sme da obavlja teži fizički rad najmanje
1 sat pre merenja• Svi fizički i psihički faktori koji mogu da uzrokuju
uzbuđenje ispitanika se moraju odstraniti iz okruženja
BAZALNI METABOLIZAM
Merenje intenziteta BMR
BMR (kJ ili kcal/m²/h) = TEO2 (kJ ili kcal /L) x vol O2 (L/h) TP (m²)
TEO2 za mešovitu izbalansiranu ishranu – 20.2kJ ili 4.825 kcal
vol O2 – potrošnja kiseonika za 1 čas
TP – telesna površina (izračunava se po formuli ili očitava iz nomograma)
Minimalna količina energije potrebna za održavanje osnovnih funkcija organizma za jedan dan se izračunava:
BMR (kJ ili kcal/m²/h) x 24
NOMOGRAM
FIZIOLOŠKE VREDNOSTI BAZALNOG METABOLIZMA
Za žene:• 150 – 160 (kJ/m²/h) • 36 – 38 (kcal/m²/h)
Za muškarce:• 160 – 170 (kJ/m²/h) • 38 – 42 (kcal/m²/h)
FIZIOLOŠKI FAKTORI KOJI UTIČU NA VREDNOST BAZALNOG METABOLIZMA:
Životna dob (sa starenjem se smanjuje intenzitet bazalnog metabolizma)
Hormonski status
Stimulacija simpatikusa (stimulacija simpatikusa dovodi do povećanog razlaganja glikogena i masti i tako povećava produkciju energije)
Spavanje (smanjuje se intenzitet bazalnog metabolizma za 10-15%)
Klima (u ekstremnim klimatskim uslovima se intenzitet bazalnog metabolizma povećava zbog dodatne energije potrebne za termoregulaciju)
Pothranjenost (intenzitet bazalnog metabolizma se povećava zbog kompenzovanja energetskog deficita)
RAZLIKE U VREDNOSTIMA BAZALNOG METABOLIZMA U ODNOSU NA POL:
RAZLIKE U ENERGETSKIM POTREBAMA KOD FIZIČKI NEAKTIVNIH I FIZIČKI AKTIVNIH OSOBA:
HVALA NA PAŽNJI HVALA NA PAŽNJI !!