FISIOLOGI RespiraSI

Konsentrasi udara di puncak gunung: is very low in oxygen Pendaki gunung banyak yang tidak dapat bertahan dengan oksigen sangat rendah Dampaknya: Otot tidak berfungsi/rusak Sistem pencernaan rusak Mudah pinsan Paru-paru penuh darah

Kelompok burung (angsa) dapat beradaptasi ketika terbang di puncak gunung, karena: Efisiensi paru-paru terhadap oksigen di atmosfer tinggi Kemampuan hb mengingkat oksigen tinggi Jumlah kapiler yang membawa darah ke jaringan dan otot sangat banyak

MEKANISME PERTUKARAN GAS Pertukaran gas adalah proses perpindahan O2 dan CO2 antara organisme dan lingkungannya Proses ini juga disebut respirasi O2 masuk dan CO2 keluar secara difusi

Fisiologi Hewan Respiration is the transport of Oxygen from the outside air to the cells within tissues and the transport of carbon dioxide in the opposite direction This is in contrast to the biochemical definition of respiration, which refers to cellular respiration: the metabolic process by which an organism obtains energy by reacting oxygen with glucose to give water, carbon dioxide and ATP (energy)

In unicellular organisms, simple diffusion is sufficient for gas exchange: every cell is constantly bathed in the external environment, with only a short distance for gases to flow across In complex multicellular animals such as humans have a much greater distance between the environment and their innermost cells, thus, a respiratory system is needed for effective gas exchange. The respiratory system works in concert with a circulatory system to carry gases to and from the tissues

Sistem pertukaran gas pada beberapa hewan Sponges and jellyfish lack: organs for gas exchange and take in gases directly from the water. Arthropods, annelids, and fish: gills; Terrestrial vertebrates: internal lungs.

The Body Surface Flatworms and annelids use their outer surfaces as gas exchange surfaces. Earthworms: thin-walled blood vessels (capillaries). Gas exchange occurs at capillaries located throughout the body as well as those in the respiratory surface. Amphibians: skin (respiratory surface). Frogs eliminate carbon dioxide 2.5 times as fast through their skin as they do through their lungs. Eels (a fish) obtain 60% oxygen through their skin. Humans exchange only 1% of their CO2 through their skin.

Some animals use their entire skin as a gas-exchange organ Example: earthworms Cut Cross section of respiratory surface (the skin covering the body) CO2 O2 Capillaries

Tracheal Systems Tracheae in terrestrial animals are these tubes that carry air directly to cells for gas exchange. Spiracles are openings at the body surface that lead to tracheae that branch into smaller tubes known as tracheoles. Body movements or contractions speed up the rate of diffusion of gases from tracheae into body cells.

Air sacs Tracheae Opening for air Body cell Tracheole Air sac Trachea Air Body wall

Lungs in land vertebrates Tracheae in insects Lungs in land vertebrates Body surface Body surface Respiratory surface (tracheae) Respiratory surface (within lung) O2 Body cells (no capillaries) CO2 O2 Capillary CO2

Land animals exchange gases by breathing air The tracheal system of insects provides direct exchange between the air and body cells Land animals exchange gases by breathing air Air contains more O2 and is easier to move than water But water loss from the respiratory surfaces can be a problem

In insects, a network of tracheal tubes carries out gas exchange O2 diffuses from the finely branched tubes directly into cells

In most animals, specialized body parts carry out gas exchange Gills in fish Body surface Respiratory surface (gill) CO2 Capillaries O2

Gills are adapted for gas exchange in aquatic environments Gills are extensions of the body that absorb O2 dissolved in water In fish, gill filaments bear numerous platelike lamellae Lamellae are packed with blood vessels They are the respiratory surfaces

Countercurrent flow in the gills enhances O2 transfer Blood flows through the lamellae in a direction opposite to water flow This countercurrent maintains a diffusion gradient that maximizes the uptake of O2 Water flow over lamellae Blood flow through lamellae

Lungs Lungs are ingrowths of the body wall and connect to the outside by as series of tubes and small openings. Vertebrates, some terrestrial snails have a gas exchange structures similar to those in frogs.

Other organisms, such as birds, have air sacs These structures act as bellows that keep air flowing through the lungs However, they do not function directly in gas exchange

Terrestrial vertebrates have lungs In humans and other mammals, air enters through the nasal cavity It passes through the pharynx and larynx into the trachea The trachea forks to form two bronchi Each bronchus branches into numerous bronchioles

Prinsip sistem respirasi 1. Pergerakan oxygen yang ada di media kontak dengan membran pembuluh darah 2. Difusi oxygen dari media ke dalam aliran darah 3. Transpot oxygen ke jaringan dan sel tubuh 4. Difusi oxygen dari darah ke dalam sel 5. Carbon dioxide mengalir ke arah sebaliknya

Tahap respirasi pada vertebrata: 1. Ventilasi: perpindahan udara masuk dan keluar dari alveoli (lungs) 2. Pertukaran gas Pulmonari: perpindahan udara antara alveoli dan kapiler pulmonari 3. Transpot gas: pergerakan gas di dalam kapiler pulmonari menuju ke kapiler peripheral diorgan, dan bergerak kembali menuju paru-paru 4. Pertukaran gas periferal: pertukaran gas antara kapiler jaringan dan jaringan atau organ, termasuk sel an mitokondria sel

The Human Respiratory System This system includes the lungs, pathways connecting them to the outside environment, and structures with moving air in and out of the lungs.

1 2 3 Breathing Transport of gases by the circulatory system Servicing of cells within the body tissues Lung O2 CO2 Circulatory system Capillary Cell Mitochondria 3

The human respiratory system

The bronchioles end in clusters of tiny sacs called alveoli Alveoli form the respiratory surface of the lungs Oxygen diffuses through the thin walls of the alveoli into the blood Oxygen-rich blood Oxygen-poor blood Bronchiole Alveoli Blood capillaries

Breathing ventilates the lungs Breathing is the alternation of inhalation and exhalation Rib cage expands as rib muscles contract Rib cage gets smaller as rib muscles relax Air inhaled Air exhaled Lung Diaphragm INHALATION Diaphragm contracts (moves down) EXHALATION Diaphragm relaxes (moves up)

Inspirasi 1. Otot diaphragma kontrasi, volume rongga dada meningkat (sekitar 0,5 L) 2. Otot intercostal eksternal kontrasi 3. Tekanan pulmonari menurun (-1 mm Hg), udara mengalir dari paru-paru ke alveoli

Expirasi 1. Menghembuskan: volume paru-paru menurun, tekanan pulmonari meningkat, sehingga udara keluar dari paru-paru 2. Otot dinding perut kontraksi, sehingga volume menurun, tekanan pulmonari meningkat, udara bergerak ke luar

Volume Respirasi (pria dewasa) 1. Tidal volume (TV): volume udara normal pergerakan udara keluar/masuk (0.5 L) 2. Inspiratory reserve volume (IRV): volume saat menghirup setelah tidal volume normal (tarik nafas dalam-dalam, 2.1-3.2 L) 3. Expiratory reserve volume (ERV): volume saat menghembuskan udara setelah tidal volume normal (hembuskan nafas dalam-dalam, 1.- 2.0 L) 4. Residual volume (RV): udara yang tersisa dalam paru-paru setelah total menghembuskan udara dalam-dalam (1.2 L)

Kapasitas Respirasi 1. Inspiratory capacity (IC) = TV+IRV (volume udara maksimum yang dihirup) 2. Functional residual capacity (FRC) = ERV+RV (semua volume tidal yang dihembuskan) 3. Vital capacity (VC) = TV+IRV+ERV (volume udara total yang bergerak keluar-masuk) 4. Total lung capacity (TLC) = TV+IRV+ERV+RV (jumlah semua volume udara, sekitar 6.0 L)

Kapasitas vital: volume maksimum udara yang dihirup dan dihembuskan Namun paru-paru menampung udara lebih banyak dari kapasitas vital Alveoli tidak pernah kehabisan udara Volume sisa udara paru-paru tampak setelah udara dihembuskan

Pengaturan pernafasan terjadi secara otomatis Pusat kontrol pernafasan ada di otak bagian medula dan pons Pengaturan secara otomatis disesuaikan dengan keperluan organ tubuh

During exercise, the CO2 level in the blood rises, lowering the blood pH This triggers a cascade of events Brain Cerebrospinal fluid BREATHING CONTROL CENTERS—stimulated by: Pons Medulla CO2 increase / pH decrease in blood Nerve signals trigger contraction of muscles Nerve signal indicating low O2 level O2 sensor in artery Diaphragm Rib muscles

TRANSPORT OF GASES IN THE BODY Blood transports the respiratory gases, with hemoglobin carrying the oxygen TRANSPORT OF GASES IN THE BODY The heart pumps oxygen-poor blood to the lungs In the lungs it picks up O2 and drops off CO2 In the tissues, cells pick up CO2 and drop off O2 Gases diffuse down pressure gradients in the lungs and the tissues

Gas exchange in the body

Hemoglobin is a protein in red blood cells It carries most of the oxygen in the blood Hemoglobin helps buffer the pH of blood and transport or carries some CO2 Heme group Iron atom O2 loaded in lungs O2 O2 unloaded in tissues O2 Polypeptide chain

Most CO2 in the blood combines with water to form carbonic acid TISSUE CELL CO2 produced INTERSTITIAL FLUID CO2 The carbonic acid breaks down to form H ions and bicarbonate ions These help buffer the blood BLOOD PLASMA WITHIN CAPILLARY Capillary wall CO2 CO2 H2O RED BLOOD CELL Hemoglobin picks up CO2 and H+ H2CO3 Carbonic acid HCO3– + H+ Bicarbonate HCO3–

Most CO2 is transported to the lungs in the form of bicarbonate ions ALVEOLAR SPACE IN LUNG CO2 CO2 CO2 CO2 H2O H2CO3 Hemoglobin releases CO2 and H+ HCO3– + H+ HCO3–

KURVA DISOSIASI OKSIGEN Sifat penting darah dalam transport oksigen adl ikatan yang reversibel oksigen dengan Hb Hb + O2 ↔ HbO2 Pd kons. tinggi Hb berkombinasi dgn O2 untuk membentuk Oksihemoglobin (HbO2) dan reaksi bergeser ke kanan Tiap atom Fe dlm mol. Hb mengikat satu mol. O2 Bila kita plot jml Oksihemoglobin yg ada pada tiap kons. O2 diperoleh kurva disosiasi oksigen - hemoglobin

Tekanan oksigen (mmHg)   Hb + O2 HbO2 Hemoglobin Oksigen Oksihemoglobin 100 80 60 40 20 (a) pH 7,2 (a) pH 7,5 20 40 60 80 100 120 Tekanan oksigen (mmHg) pH turun dari 7,5 menjadi 7,2 tanpa merubah PCO2, afinitas hemoglobin terhadap oksigen turun, kurva bergeser kekanan

Bohr effect CO2 darah  menyebabkan pH plasma , kurva disosiasi bergeser kekanan - Konsentrasi CO2 tinggi menyebabkan oksigen dilepaskan  pada PO2 tertentu, disebut Bohr effect. Jika CO2 masuk kedalam darah, Hb melepaskan O2 dalam jumlah yang lebih besar dari jika tidak adanya efek CO2 pada ikatan HbO. Jadi Bohr effect memfasilitasi peningkatan pelepasan O2 pada jaringan. CO2 menurunkan afinitas Hb terhadap O2, karena pengikatan CO2 secara langsung pada kelompok amino terminal pada molekul Hb – mengurangi ikatan HbO Bohr effect (Efek Bohr) pada hewan kecil > hewan besar, Hb hewan kecil lebih sensitif thd asam dari Hb hewan besar, shg memenuhi kebutuhan laju metabolik tinggi pada hewan kecil. Perubahan pH sedikit menyebabkan pelepasan O2 .

Perubahan Afinitas O2 Respon senyawa fosfat organik merupakan keuntungan fisiologis pada ikan. Pada ikan trout yang didedahkan dalam air yang kandungan oksigennya rendah, maka kandungan ATP dalam eritrositnya menjadi turun dan afinitas oksigen darahnya meningkat. Hemoglobinnya tidak mengalami perubahan afinitas, jadi peningkatan afinitas darah ikan terhadap oksigen ini disebabkan oleh menurunnya kandungan ATP dalam darah.

Disosiasi Oksigen Kurva disosiasi oksigen pada ikan berhubungan dengan aktivitasnya. Pada ikan yang aktif dan berenang cepat, seperti misalnya ikan tuna, dan biasanya hidup di air yang kaya oksigen, kurva disosiasinya lebih kekanan dibandingkan ikan-ikan lain. Afinitas oksigen yang rendah tersebut diperlukan untuk pelepasan oksigen ke jaringan pada aktivitas metabolik tinggi. Sebaliknya, pada ikan yang bergerak lamban dan berada di dasar perairan yang kandungan oksigennya rendah biasanya toleran terhadap kekurangan oksigen. Afinitas oksigen hemoglobin ikan semacam ini tinggi, kurva disosiasinya di kiri. Karena ikan ini hidup di perairan yang miskin oksigen dan laju metaboliknya rendah, maka kebutuhan untuk pengambilan oksigen lebih penting daripada kebutuhan untuk melepaskan oksigen ke jaringan.

Disosiasi Oksigen (Lanjutan) Pada hewan invertebrata, Hb memiliki afinitas oksigen yang sangat tinggi dan kurva disosiasinya terletak dipinggir kiri. Misalnya pada moluska bivalvia Phacoides dan juga larva Chironomus, kedua spesies hewan tersebut sering berada pada perairan yang miskin oksigen. Nampaknya bilamana oksigen sangat tipis hemoglobin menjadi sangat penting. Daphnia yang dipelihara dalam air yang kandungan oksigennya rendah akan memiliki konsentrasi hemoglobin tinggi (lihat Gambar). Daphnia yang memiliki konsentrasi hemoglobin tinggi akan lulus hidup dalam perairan dimana Daphnia yang konsentrasi hemoglobinyya rendah mati (Kobayashi and Hoshi, 1982). Hal yang sama juga terjadi pada Artemia, larva Chironomus dan invertebrata lainnya.

Hemoglobin dalam darah Oksigen dalam air (ml O2 per liter) (g Hb per 100 ml) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1 2 3 4 5 6 7 8 Oksigen dalam air (ml O2 per liter) Daphnia bila dipelihara dalam air yang kandungan oksigennya rendah akan memiliki konsentrasi Hb yang meningkat tinggi. Hal ini membantu kelulusan hidup dalam air yang kurang oksigen yang bersifat letal pada Daphnia yang Hb-nya rendah (Kobayashi and Hoshi, 1982; Scmidt-Nielsen, 1990).

PENGANGKUTAN CO2 Bila CO2 terlarut dalam air akan berkombinasi dengan air membentuk asam karbonat (H2CO3). Reaksinya adalah sebagai berikut: + H2O CO2 H2CO3 H+ + HCO3- Pembentukan asam karbonat dipercepat dengan adanya enzim karbonat anhidrase. H2CO3 mengalami disosiasi menjadi ion hidrogen dan ion bikarbonat (HCO3-).

Hb Sebagai buffer Zat penyangga (buffer) terpenting dalam darah adalah sistem asam karbonat-bikarbonat, fosfat dan protein dalam darah. Protein dapat merupakan buffer yang baik karena mengandung kelompok yang dapat berdisosiasi sebagai asam maupun basa, sehingga protein dapat mengambil maupun memberikan ion hidrogen. Hb adalah protein yang jumlahnya terbesar dalam darah, dan memiliki peranan terpenting sebagai buffer disamping protein plasma.

The human fetus exchanges gases with the mother’s bloodstream A human fetus depends on the placenta for gas exchange Placenta, containing maternal blood vessels and fetal capillaries Umbilical cord, containing fetal blood vessels Amniotic fluid Uterus

A network of capillaries exchanges O2 and CO2 with maternal blood that carries gases to and from the mother’s lungs At birth, increasing CO2 in the fetal blood stimulates the fetus’s breathing control centers to initiate breathing

Pulmonary Function Tests 1. Spirometer: measures volume changes during breathing a. Obstructive pulmonary disease: increased resistance to air flow (bronchitis or asthma) Restrictive disorders: decrease in Total Lung Capacity (TB or polio) 2. Minute respiratory volume (MRV): total volume flowing in & out in 1 minute (resting rate = 6 L per minute) 3. Forced vital capacity (FVC): total volume exhaled after forceful exhalation of a deep breath 4. Forced expiratory volume (FEV): FEV volume measured in 1 second intervals (FEV1...)

Composition of Air Breathed In Gas Breathed Out 21% Oxygen 17%   78% Nitrogen 78% 0% Carbon Dioxide 4% 1% Tracer Gases 1% The normal rate of inspiration and expiration, the respiration rate, is about 16 times a minute in an adult

External Respiration (Air & Lungs)   1. Partial Pressure Gradients & Solubilities a. Oxygen: alveolar (104 mm) ---> blood (40 mm) b. Carbon Dioxide: blood (45 mm) ----> alveolar (40 mm) (carbon dioxide much more soluble than oxygen)  2. Alveolar Membrane Thickness (0.5-1.0 micron)  a. very easy for gas to diffuse across alveoli b. Edema: increases thickness, decreases diffusion

3. Total Alveolar Surface Area for Exchange  a. total surface area healthy lung = 145 sq. Meters b. emphysema: decreases total alveolar surface area  4. Ventilation-Blood Flow Coupling  a. low Oxygen in alveolus -> vasoconstriction b. high Oxygen in alveolus -> vasodilation c. high Carb Diox in alveolus -> dilate bronchioles d. low Carb Diox in alveolus -> constrict bronchioles

Internal Respiration (Blood & Tissues) 1. Oxygen: blood (104 mm) -> tissues (40 mm) 2. Carbon Dioxide: tissues (>45 mm) -> blood (40 mm)

Smoking is one of the deadliest assaults on our respiratory system Mucus and cilia in the respiratory passages protect the lungs Pollutants, including tobacco smoke, can destroy these protections Smoking kills about 430,000 smokers each year

Smoking causes lung cancer and contributes to heart disease Smoking also causes emphysema Cigarette smoke makes alveoli brittle, causing them to rupture This reduces the lungs’ capacity for gas exchange