Het ademhalingssysteem: structuur en werking

Het menselijke ademhalingssysteem bestaat uit de luchtwegen (boven en onder) en de longen. Het ademhalingssysteem is verantwoordelijk voor de gasuitwisseling tussen het organisme en de omgeving. Hoe is het ademhalingssysteem opgebouwd en hoe werkt het?

Het menselijk ademhalingssysteem moet ademhaling mogelijk maken - het proces van gasuitwisseling, namelijk zuurstof en kooldioxide, tussen het organisme en de omgeving. Elke cel in ons lichaam heeft zuurstof nodig om goed te functioneren en energie op te wekken. Het ademhalingsproces is onderverdeeld in:

• externe ademhaling - zuurstof naar de cellen brengen
• interne ademhaling - intracellulair

Externe ademhaling vindt plaats door de synchronisatie van het ademhalingssysteem met de zenuwcentra en is onderverdeeld in een aantal processen:

• longventilatie
• gasdiffusie tussen alveolaire lucht en bloed
• transport van gassen door het bloed
• gasdiffusie tussen bloed en cellen

Schakel JavaScript in om deze video te bekijken en overweeg om te upgraden naar een webbrowser die -video ondersteunt

Structuur van het ademhalingssysteem

De luchtwegen bestaan ​​uit:

• de bovenste luchtwegen, d.w.z. de neusholte (onze cavum) en keel (keelholte)
• onderste luchtwegen: strottenhoofd (strottenhoofd), luchtpijp (luchtpijp), bronchiën (bronchiën) - rechts en links, die verder zijn onderverdeeld in kleinere takken, en de kleinste veranderen in bronchiolen (bronchioli)

Het laatste deel van de luchtwegen leidt naar de longblaasjes (longblaasjes pulmonales). De ingeademde lucht die door de luchtwegen gaat, wordt ontdaan van stof, bacteriën en andere kleine onzuiverheden, gehydrateerd en verwarmd. Aan de andere kant stelt de structuur van de bronchiën, door de combinatie van kraakbeen, elastische en gladde spierelementen, je in staat om hun diameter aan te passen. De keel is waar de luchtwegen en het spijsverteringssysteem elkaar kruisen. Om deze reden stopt de ademhaling bij het slikken en sluit de luchtweg zich door de epiglottis.

• longen - gepaarde organen in de borst.

In termen van anatomische en functionele aspecten zijn de longen verdeeld in lobben (de linkerlong in twee lobben en de rechter in drie), de lobben zijn verder onderverdeeld in segmenten, segmenten in lobben en lobben in clusters.

Elke long is omgeven door twee lagen bindweefsel - de pariëtale pleura (pleura parietalis) en pulmonale pleura (pleura pulmonalis). Tussen hen is de pleuraholte (cavum pleurae), en de vloeistof erin maakt de adhesie mogelijk van de long bedekt met de pulmonale pleura aan de pariëtale pleura gefuseerd met de binnenwand van de borst.Op de plaats waar de bronchiën de longen binnendringen, bevinden zich longholtes, waarin behalve de bronchiën ook slagaders en longaders zijn.
Bovendien zijn skeletale dwarsgestreepte spieren, het bloed en het cardiovasculaire systeem en zenuwcentra betrokken bij het gecompliceerde ademhalingsproces.

Longventilatie

De essentie van ventilatie is om atmosferische lucht in de longblaasjes te trekken. Omdat de lucht altijd van hogere druk naar lagere druk stroomt, nemen de juiste spiergroepen deel aan elke inademing en uitademing, waardoor de zuig- en drukbewegingen van de borstkas mogelijk worden.

Aan het einde van de uitademing is de druk in de longblaasjes gelijk aan de atmosferische druk, maar als je lucht aanzuigt, trekt het diafragma samen (diafragma) en externe intercostale spieren (musculi intercostales externi), waardoor het volume van de borst toeneemt en een vacuüm creëert dat lucht aanzuigt.

Wanneer de vraag naar ventilatie toeneemt, worden extra inademingsspieren geactiveerd: de sternocleidomastoïde spieren (musculi sternocleidomastoidei), borstspieren (musculi pectorales minoren), voorste tandspieren (musculi serrati anteriores), trapezius spieren (musculi trapezia), de levator scapula spieren (musculi levatores scapulae), grotere en kleinere parallellogramspieren (musculi rhomboidei maiores en minores) en schuine spieren (musculi samengevoegd).

De volgende stap is om uit te ademen. Het begint wanneer de inademingsspieren zich ontspannen op het hoogtepunt van de inademing. Meestal is dit een passief proces, omdat de krachten die worden opgewekt door de uitgerekte elastische elementen in het longweefsel voldoende zijn om de borstkas in volume te laten afnemen. De druk in de longblaasjes stijgt boven de atmosferische druk en het resulterende drukverschil voert lucht naar buiten af.

De situatie is iets anders bij krachtig uitademen. We hebben ermee te maken wanneer het ademhalingsritme langzaam is, wanneer de uitademing het overwinnen van een verhoogde ademhalingsweerstand vereist, bijvoorbeeld bij sommige longaandoeningen, maar ook bij fonatieactiviteit, vooral tijdens het zingen of het bespelen van blaasinstrumenten. De motorischeuronen van de uitademingsspieren worden gestimuleerd, waaronder: interne intercostale spieren (musculi intercostales interni) en de spieren van de voorste buikwand, vooral de rectusbuikspieren (musculi recti abdominis).

Ademhalingsfrequentie

De ademhalingsfrequentie is zeer variabel en hangt af van veel verschillende factoren. Een volwassene in rust moet 7-20 keer per minuut ademen. Factoren die leiden tot een versnelde ademhaling, technisch bekend als tachypneu, zijn onder meer inspanning, longaandoeningen en extrapulmonale ademnood. Anderzijds kan bradypneu, d.w.z. een aanzienlijke afname van het aantal ademhalingen, het gevolg zijn van neurologische aandoeningen of centrale bijwerkingen van verdovende middelen. Kinderen verschillen in dit opzicht van volwassenen: hoe kleiner de peuter, hoe hoger de fysiologische ademhaling.

Longvolumes en capaciteiten

• TLC (totale longcapaciteit) - het volume dat zich in de long bevindt na de diepste ademhaling
• IC - inspiratoire capaciteit - getrokken in de longen tijdens de diepste inademing na een rustige uitademing
• IRV (inspiratoir reservevolume) - inspiratoir reservevolume - in de longen getrokken tijdens de maximale inademing boven aan de vrije inademing
• TV (tidal volume) - tidal volume - in- en uitgeademd terwijl je vrij in- en uitademt
• FRC - functionele restcapaciteit - blijft in de longen na een langzame uitademing
• ERV (expiratoir reservevolume) - expiratoir reservevolume - verwijderd uit de longen tijdens maximale uitademing na vrije inademing
• RV (restvolume) - restvolume - blijft altijd in de longen tijdens maximale uitademing
• VC (vitale capaciteit) - vitale capaciteit - verwijderd uit de longen na maximale inademing op het moment van maximale uitademing
• IVC (inspiratory vital capacity) - ingeademde vitale capaciteit - getrokken in de longen na de diepste uitademing met maximale inademing; kan iets groter zijn dan VC omdat bij maximale uitademing gevolgd door maximale inademing de alveolaire geleiders sluiten voordat de lucht die de bellen vult, wordt verwijderd

Met vrije inspiratie is het teugvolume 500 ml. Niet al dit volume bereikt echter de longblaasjes. Ongeveer 150 ml vult de luchtwegen, die niet de voorwaarden hebben voor gasuitwisseling tussen lucht en bloed, d.w.z. de neusholte, keel, strottenhoofd, luchtpijp, bronchiën en bronchiolen. Dit heet anatomische respiratoire dode ruimte. De resterende 350 ml wordt gemengd met lucht die de resterende functionele capaciteit vormt, gelijktijdig verwarmd en verzadigd met waterdamp. In de longblaasjes is opnieuw niet alle lucht gasvormig. In de haarvaten van de wanden van sommige follikels stroomt geen of te weinig bloed om alle lucht te gebruiken voor gasuitwisseling. Dit is de fysiologische dode ruimte van de luchtwegen en is klein bij gezonde mensen. Helaas kan het aanzienlijk toenemen bij ziektetoestanden.

De gemiddelde ademhalingssnelheid in rust is 16 per minuut, en het ademvolume is 500 ml, als we deze twee waarden vermenigvuldigen, krijgen we pulmonale ventilatie. Hieruit volgt dat ongeveer 8 liter lucht per minuut wordt in- en uitgeademd. Bij snelle en diepe ademhalingen kan de waarde aanzienlijk toenemen, zelfs van een dozijn tot twintig keer.

Al deze gecompliceerde parameters: capaciteiten en volumes werden niet alleen geïntroduceerd om ons in verwarring te brengen, maar hebben een belangrijke toepassing bij de diagnose van longziekten. Er is een test - spirometrie die meet: VC, FEV1, FEV1 / VC, FVC, IC, TV, ERV en IRV. Het is essentieel voor de diagnose en monitoring van ziekten zoals astma en COPD.

Gasdiffusie tussen alveolaire lucht en bloed

De longblaasjes zijn de basisstructuur waaruit de longen bestaan. Er zijn er ongeveer 300-500 miljoen van, elk met een diameter van 0,15 tot 0,6 mm, en hun totale oppervlakte varieert van 50 tot 90 m².

De wanden van de follikels zijn gebouwd door een dun, plat, enkellaags epitheel. Naast de cellen waaruit het epitheel bestaat, bevatten de follikels nog twee andere soorten cellen: macrofagen (darmcellen) en ook type II folliculaire cellen die de oppervlakteactieve stof produceren. Het is een mengsel van eiwitten, fosfolipiden en koolhydraten geproduceerd uit bloedvetzuren. Door de oppervlaktespanning te verminderen, voorkomt de oppervlakteactieve stof dat de longblaasjes aan elkaar plakken en vermindert het de krachten die nodig zijn om de longen te strekken. Van buitenaf zijn de bellen bedekt met een netwerk van haarvaten. Haarvaten die in de longblaasjes komen, vervoeren bloed dat rijk is aan kooldioxide, water, maar met een kleine hoeveelheid zuurstof. In alveolaire lucht daarentegen is de partiële zuurstofdruk hoog en die van kooldioxide laag. Gasdiffusie volgt een gradiënt van gasdeeltjesdruk, dus capillaire erytrocyten vangen zuurstof uit de lucht op en verwijderen kooldioxide. Gasdeeltjes moeten door de alveolaire wand en de capillaire wand gaan, en meer precies door: de vloeistoflaag die het alveolaire oppervlak bedekt, alveolair epitheel, basaalmembraan en capillair endotheel.

Transport van gassen door het bloed

• zuurstof transport

Eerst lost zuurstof fysiek op in plasma, maar daarna diffundeert het door de envelop naar de rode bloedcellen, waar het zich bindt met hemoglobine om oxyhemoglobine (geoxygeneerd hemoglobine) te vormen. Hemoglobine speelt een zeer belangrijke rol bij het transport van zuurstof, omdat elk van zijn moleculen wordt gecombineerd met 4 zuurstofmoleculen, waardoor het vermogen van bloed om zuurstof te transporteren tot 70 keer toeneemt. De hoeveelheid getransporteerde zuurstof opgelost in het plasma is zo klein dat het niet relevant is voor de ademhaling. Dankzij de bloedsomloop bereikt het met zuurstof verzadigde bloed elke cel van het lichaam.

• kooldioxide transport

Koolstofdioxide uit de weefsels komt de haarvaten binnen en wordt naar de longen getransporteerd:

• ongeveer 6% fysisch opgelost in plasma en in het cytoplasma van erytrocyten
• ongeveer 6% gebonden aan vrije aminogroepen van plasma-eiwitten en hemoglobine (als carbamaten)
• het merendeel, d.w.z. ongeveer 88%, als HCO3-ionen - gebonden door het bicarbonaatbuffersysteem van plasma en erytrocyten

Gasdiffusie tussen bloed en cellen

Opnieuw passeren gasmoleculen in de weefsels de drukgradiënt: zuurstof die vrijkomt uit hemoglobine diffundeert in de weefsels, terwijl koolstofdioxide in de tegenovergestelde richting diffundeert - van cellen naar plasma. Door de verschillen in zuurstofbehoefte van verschillende weefsels zijn er ook verschillen in zuurstofspanning. In weefsels met een intensief metabolisme is de zuurstofspanning laag, waardoor ze meer zuurstof verbruiken, terwijl het afvoerende veneuze bloed minder zuurstof en meer kooldioxide bevat. Het arterioveneuze verschil in zuurstofgehalte is een parameter die de mate van zuurstofverbruik door weefsels bepaalt. Elk weefsel wordt voorzien van arterieel bloed met hetzelfde zuurstofgehalte, terwijl veneus bloed er meer of minder van kan bevatten.

Interne ademhaling

Ademhaling op cellulair niveau is een meerstaps biochemisch proces waarbij organische verbindingen worden geoxideerd waarbij biologisch bruikbare energie wordt geproduceerd. Het is een fundamenteel proces dat zelfs plaatsvindt wanneer andere metabolische processen worden gestopt (anaërobe alternatieve processen zijn inefficiënt en van beperkt belang).

De sleutelrol wordt gespeeld door mitochondriën - cellulaire organellen, die zuurstofmoleculen ontvangen die in de cel diffunderen. Op het buitenmembraan van de mitochondriën bevinden zich alle enzymen van de Krebs-cyclus (of de cyclus van tricarbonzuren), terwijl er op het binnenmembraan enzymen van de ademhalingsketen zijn.

In de Krebs-cyclus worden suiker-, eiwit- en vetmetabolieten geoxideerd tot kooldioxide en water met de afgifte van vrije waterstofatomen of vrije elektronen. Verderop in de ademhalingsketen - de laatste fase van intracellulaire ademhaling - door elektronen en protonen over te dragen aan opeenvolgende dragers, worden hoogenergetische fosforverbindingen gesynthetiseerd. De belangrijkste daarvan is ATP, d.w.z. adenosine-5′-trifosfaat, een universele drager van chemische energie die wordt gebruikt in het celmetabolisme. Het wordt door tal van enzymen geconsumeerd in processen als biosynthese, beweging en celdeling. De verwerking van ATP in levende organismen is continu en er wordt geschat dat de mens elke dag de hoeveelheid ATP omzet die vergelijkbaar is met zijn lichaamsgewicht.

Ademhalingsregulatie

In de verlengde kern bevindt zich een ademhalingscentrum dat de frequentie en diepte van de ademhaling regelt. Het bestaat uit twee centra met tegengestelde functies, gebouwd door twee soorten neuronen. Beide bevinden zich in de reticulaire formatie. In de solitaire kern en in het voorste deel van de achterste ambigue nervus vagus bevindt zich het inspiratoire centrum, dat zenuwimpulsen naar het ruggenmerg stuurt, naar de motorneuronen van de inademingsspieren. Aan de andere kant bevindt zich in de dubbelzinnige kern van de nervus vagus en in het achterste deel van de achterste dubbelzinnige nervus vagus het uitademingscentrum, dat de motorneuronen van de expiratoire spieren stimuleert.

De neuronen van het inspiratiecentrum sturen meerdere keren per minuut een salvo van zenuwimpulsen, die langs de tak lopen die afdaalt naar de motorneuronen in het ruggenmerg en tegelijkertijd met de axontak opstijgen naar de neuronen van de reticulaire formatie van de brug. Er is een pneumotactisch centrum dat het inademingscentrum 1-2 seconden remt en daarna stimuleert het inademingscentrum opnieuw. Door opeenvolgende perioden van stimulatie en remming van het inspiratoire centrum is ritmische ademhaling verzekerd.
Het inspiratoire centrum wordt gereguleerd door zenuwimpulsen die ontstaan ​​in:

• cervicale en aorta glomerulus chemoreceptoren, die reageren op een toename van de kooldioxideconcentratie, de concentratie van waterstofionen of een significante afname van de arteriële zuurstofconcentratie; impulsen van de aortaklonten reizen door de glossofaryngeale en vaguszenuwen. en het effect is om de inademingen te versnellen en te verdiepen
• longweefselinteroreceptoren en thoracale proprioreceptoren;
• er zijn opblaasmechanoreceptoren tussen de bronchiale gladde spieren, ze worden gestimuleerd door het uitrekken van het longweefsel, wat uitademing veroorzaakt; het verminderen van de rek van longweefsel tijdens het uitademen, activeert andere mechanoreceptoren, deze keer deflatoir, die inspiratie veroorzaken; Dit fenomeen wordt de Hering-Breuer-reflexen genoemd;
• De inademings- of uitademingspositie van de borstkas irriteert de respectievelijke proprioreceptoren en verandert de frequentie en diepte van de ademhaling: hoe dieper de inademing, hoe dieper de uitademing die erop volgt;
• centra van de bovenste niveaus van de hersenen: de hersenschors, limbisch systeem, thermoregulatiecentrum in de hypothalamus