Légzés. A gázcsere alapjai

Átírás

1 Légzés A gázcsere alapjai 2/12 Lavoisier mintegy 200 évvel ezelőtt felfedezte, hogy az állatok életműködése és az égés egyaránt O 2 fogyaszt, és CO 2 termel felfedezéséért 51 éves korában, 1794-ben guillotine-al jutalmazták, mert adószedő is volt oxigén felvétele diffúzióval soksejtűekben romlik a felület/térfogat arány - nagyfelületű légzőszervek - diffúziós út és koncentráció különbség kritikus: vékony sérülékeny határfelület (0,5-15 ), légzőmozgások, vérkeringés, vérfesték emberben a légzőfelület m 2 között van, a test többi részének felülete 2 m 2 a gerincesek méretét alulról a mitokondriumok össztérfogata (max. 45%), a kriszták száma, a légzőfelület nagysága határolja be - kolibri 1

2 A tüdő anatómiája I. 3/12 2 tüdőfél, együtt g, a jobboldali valamivel nagyobb, %-ban vér teszi ki légutak: villás elágazás, az keletkező csövek összkeresztmetszete nagyobb, mint a szülőjé elágazás feladatuk: melegítés, vízgőzzel való telítés (lehelet) trachea - hörgő -hörgőcske - légvezeték - léghólyag tracheában és hörgőkben C-alakú porc, majd szabálytalan lemezek - itt igen kevés simaizom 1 mm alatt - hörgőcske, fala kötőszövet simaizommal tüdő térfogatával, ill. az izmok összehúzódásával változik az átmérője a gázcsere a légvezeték+léghólyagban (300 millió) - összfelszín m 2 gerincesek evolúciójában egyre több belső szeptum (lásd béka) tüdőtágulás (emfizémia) - dohányzás határfelület: endotel, epitel, rostok A tüdő anatómiája II. 4/12 a tüdőt kivülről mellhártyák borítják: pleurális (fali) és viszcerális (zsigeri) lemez közöttük folyadék (mellhártyagyulladás, légmell, TBC kezelése) összeesési tendencia (felületi feszültség + rugalmas rostok) ellensúlyoz: alveolusok interdependenciája, surfactant (epitel-ii sejt terméke: dipalmitoilfoszfatidilkolin), mellkas expanziós tendenciája nyugalomban pontosan egyensúly van légzőizmok: bordaközi izmok, T1-11, külső~: belégzés, belső~: kilégzés rekeszizom, C3-5 (n. phrenicus), nyugalomban 1-2 cm mozgás: 500 ml, 10 cm is lehet - harántlézió! hasizom (gyertya, trombita, 40/perc felett fontos) segédizmok - diszpnoe (nehézlégzés) esetén belégzést támogatják 2

3 Légzési térfogatok 5/12 légzési térfogatok - mérés spirométerrel - spirogram anatómiai és fiziológiai holttér zsiráfban, bütykös hattyúban nagy holttér, nagy légzési térfogat légzési térfogat (500 ml) - anatómiai holttér (150 ml) = 350 ml hígitja a funkcionális reziduális térfogatot - viszonylag állandó O 2 koncentráció légzési perctérfogat: 14 x 350 ml = 4900 ml/perc Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Gáz koncentrációk 6/12 po 2 (Hgmm) po 2 (%) pco 2 (Hgmm) pco 2 (%) száraz levegő ,0 0,3 0,04 nedves levegő ,7 0,3 0,04 alveolus 102* 13,4 40 5,3 tüdő artéria 40 5,3 46 6,1 tüdő véna 100** 13,2 40 5,3 légnyomás: 760 Hgmm vízgőz parciális nyomása 47 Hgmm * O 2 fogyasztás, anatómiai holttér hatása ** bronchiális vénák is ide folynak 3

4 Az O 2 szállítása I. 7/12 O 2 fizikai oldódása igen rossz - 0,3 ml/100 ml pisztráng csak hideg hegyi patakokban halpusztulás a víz túlmelegedésekor (bomló szerves anyagok O 2 fogyasztása is) egyes halak, pl. ponty, pipálnak - levegőt nyelnek hemoglobin 70-szeresére növeli az oldódást - 20 ml/100 ml oxigenálva (oxihemoglobin) élénk piros, egyébként (deoxihemoglobin) sötét lilás vörös - vénás és kapilláris vér színe vérvételkor gerinctelenekben is előfordul, de más pigmentek is, pl. hemocianin (puhatestűek, ízeltlábúak), réztartalmú, nem sejtbe zárva féltelítettség jellemzi az affinitást: Hgb: 30 Hgmm körül, mioglobin 5 Hgmm; Hgb 100 Hgmm-nél 97,4%-ban, 70 Hgmm-nél 94,1%- ban telített - alig csökken Az O 2 szállítása II. 8/12 az affinitást különböző tényezők befolyásolják a diffúzióban a plazma koncentráció döntő tüdőben a magas affinitás előnyös - Hgb könnyen felveszi a plazmából az O 2 -t, így alacsonyan tartja a plazmakoncentrációt szövetekben alacsony affinitás jó - plazma koncentráció magasabb lesz affinitást csökkenti: hőmérséklet növekedése - működő szövet melegebb ph csökkenés, CO 2 növekedés Bohr-effektus: H + felvétel - affinitás csökken, ill. O 2 felvétellel savasság nő Haldane-effektus szerves foszfát ligandok, pl. 2,3-biszfoszfoglicerát (BPG), ATP, GTP 4

5 Az O 2 szállítása III. 9/12 Hgb affinitása láncösszetételtől is függ: magzatban lánc helyett - nagyobb affinitás methemoglobin oxidált vasat (Fe +++ ) tartalmaz - nem köti az oxigént vvt enzim redukálja - nitrit, klorát, stb. növeli a mennyiségét enzimgátlással, vagy közvetlenül karboxihemoglobin - CO kötés, 200x affinitás, féltelítettség 0,1 Hgmm-nél (autó, városi gáz) - vér piros marad sarlósejtes vérszegénység - valin/glutamát csere a láncban - polimerizáció - sarló alak, kis kapillárisokon nem jut át - O 2 ellátás romlik - de malária kórokozója nem szaporodik benne nyugalomban 70 ml, munka során 200 ml vér a tüdő kapillárisokban, kb. 70 m 2 -en szétkenve vvt 750 ms-ig van a kapillárisban, 250 ms alatt telődik O 2 -vel - tartalék! A CO 2 szállítása 10/12 CO 2 fizikailag is jobban oldódik, de kémiailag is reakcióba lép a vízzel szállítás főleg HCO 3- formájában (88-90%), de CO 2, H 2 CO 3, és CO 3 2-, valamint karbamino alakban is a leadott CO 2 80%-a HCO 3- -ból CO 2 szénsavvá alakulása több másodperc - vvt belsejében szénsavanhidráz enzim gyorsít keletkező H+ iont a deoxihemoglobin köti meg, ami gyengébb sav, mint az oxihemoglobin HCO 3- kicserélődik Cl - -ra - facilitált diffúzió antiporterrel - Hamburger-shift, vagy kloridvándorlás tüdőben fordított folyamat zajlik 5

6 A légzés szabályozása I. 11/12 emlősök: az összenergia felhasználásuk 5-10%- át fordítják a tüdő perfúziójára és ventilációjára szorosan és együttesen szabályozott folyamatok, elpocsékolt perfúzió vagy ventiláció káros alveoláris hipoxia - lokális vazokonstrikció - magas hegyeken tüdőödéma alakulhat ki a központi szabályozásban mechanizmusa pontosan nem ismert nyúltvelő: belégzési és kilégzési neuronok - az adott folyamattal aktiválódnak (más szerepük is van, nem központ) belégzési neuronok - dorzomediálisan, nucl. tractus solitarius mellett kilégzési neuronok - ventrolaterálisan leszálló hatások: beszéd, ének, sírás, nevetés, stb. A légzés szabályozása II. 12/12 kimenet: a rekeszizmot és a bordaközi izmokat ellátó motoneuronok belégzés ingere: CO 2 és H + koncentráció növekedése - centrális receptorok; bizonyos CO 2 küszöb alatt nincs légzés O 2 koncentráció csökkenése, CO 2 és H + koncentráció növekedése - glomus caroticum és aorticum szárazföldi állatokban a CO 2 kontrollált elsősorban, vizi állatokban az O 2 - koncentráció variábilisabb, a jobb oldódás miatt, ha a O 2 csere jól megy, akkor biztosan az CO 2 is kilégzés ingere: a tüdő feszülési receptorai - Hering-Breuer reflex az input nemcsak a gázcsere és a ph szabályozás szolgálatában áll, a nyelés, köhögés reflexeit is szolgálja 6

7 Kiválasztás Az emlős vese 14/21 az ozmoreguláció szerveiben (bőr, kopoltyú, vese, bél) mindenütt transzporthámot találunk: polarizált - apikális (lumináris, mukózális) és bazális (szerózális) felszín eltérő sajátságú a transzporthám teljesítőképességét speciális struktúrába rendeződés fokozza: tubuláris szerkezet az emlős vese működése jól ismert - bár nem reprezentatív valamennyi gerinces vesére testsúly 0,5%-a, perctérfogat 20-25%-a kéreg, velő, vesepiramis, vesemedence, húgyvezető, húgyhólyag, húgycső napi 1 l, kissé savas (ph 6) vizelet keletkezik, összetétele, mennyisége táplálék és vízháztartás függő - sör, amidazophen, stb. 7

8 A vese működési egysége az emlős vese működési alapegysége a nefron afferens és efferens arteriola, közte glomerulus; Bowman tok, proximális kanyarulatos csatorna, Henle kacs, disztális kanyarulatos csatorna, gyűjtőcsatorna a többség (85%) kortikális, a maradék (15%) juxtamedulláris nefron a vizelet képződésének lépései: ultrafiltráció reabszorpció szekréció a vese igen fontos szerepet játszik a ph szabályozásában a vese távolítja el a fehérjék bomlása során keletkező ammóniát 15/21 16/21 Ultrafiltráció a víz és az oldott anyagok 15-25%-a filtrálódik, napi 180 l - fehérjék és vérsejtek maradnak a filtráció függ: a kapilláris és a Bowman tok lumene közötti hidrosztatikai nyomástól: = 40 Hgmm a vér kolloid ozmótikus nyomásától: 30 Hgmm - az effektív filtrációs nyomás = 10 Hgmm a szűrő hidraulikus permeabilitásától: fenesztrált kapillárisok, alaphártya (kollagén+negatív glikoproteinek), podociták (nyúlványaik között hosszúkás rések), a bőséges vérellátás a viszonylag alacsony ellenállásnak köszönhető - afferens arteriola vastag és rövid - magas nyomás a glomerulusban vérátáramlás szabályozása: bazális miogén tónus, juxtaglomeruláris apparátus parakrin hatása, szimpatikus hatás (afferens, glomerulus, podocita) 8

9 Clearance 17/21 egy anyag clearance-e az a plazma mennyiség, amely megtisztul az adott anyagtól a vesében VU CP = VU azaz C = P ahol C - clearance, P - plazma koncentráció, V - a vizelet mennyisége 1 perc alatt, U - az anyag koncentrációja a vizeletben ha olyan anyagot nézünk, ami nem szívódik vissza és nem szekretálódik (pl. inulin), akkor megkapjuk az 1 perc alatt képződő szűrlet mennyiségét : GFR ha olyan anyagot nézünk, ami teljes egészében szekretálódik (pl. PAH), akkor megkapjuk a vesén 1 perc alatt átáramló plazma (RPF) mennyiségét, illetve kiszámíthatjuk az RBF-t Tubuláris reabszorpció I. 18/21 a 180 l elsődleges szűrletből 1 l vizelet lesz, az 1600 g NaCl-ből csak 10 g ürül az egyes szakaszok szerepe: proximális tubulus a Na + 70%-a aktív transzporttal visszaszívódik, Cl - és víz passzívan követi obligát visszaszívás a szürlet izozmótikus, de a vissza nem szívott anyagok koncentrációja megnő (pl. karbamid) a sejteken felületnövelő kefeszegély van glukóz és aminosavak a Na + gradiense segítségével (synport) szívódnak vissza glukózra jellemző a tubuláris maximum: 1,8 mg/ml alatt teljes visszaszívódás (normális érték: 1,0 mg/ml), 3,0 mg/ml felett teljes telítettség - cukorbetegségben cukor a vizeletben 9

10 19/21 Tubuláris reabszorpció II. Henle kacs leszálló szakasza nincs kefeszegély, kevés mitokondrium - nincs aktív transzport alacsony NaCl és karbamid permeabilitás, magas víz permeabilitás Henle kacs vékony felszálló szakasza nincs kefeszegély, kevés mitokondrium - nincs aktív transzport alacsony víz és karbamid permeabilitás, magas NaCl permeabilitás Henle kacs vastag felszálló szakasza aktív Na + visszaszívás alacsony víz permeabilitás disztális kanyarulatos csatorna aktív Na + visszaszívás, passzív vízvisszaszívás K +, H + és NH 3 transzport igényeknek megfelelően - lásd később (ph szabályozás) a transzport hormonális szabályozás alatt - fakultatív gyűjtőcsatorna aktív Na+ visszaszívás a kortikális részen, erős karbamid permeabilitás a belső medulláris részen szabályozott víz permeabilitás (ADH) Tubuláris szekréció 20/21 a nefronban különböző rendszerek, amelyek a plazmából a tubulusba szekretálnak anyagokat legjobban vizsgált: K +, H +, NH 3, szerves savak, szerves bázisok a nefron igen sokféle anyagot tud szekretálni: a máj számos molekulát glükuronsavval, vagy annak szulfátjával konjugál, és azt ismeri fel a transzportrendszer K + felvétele a proximális tubulusban és a Henle kacsban (Na/2Cl/K transzporter) túl magas K + koncentráció esetén disztális tubulusban szekréció, de Na + felvétellel kapcsoltan aldoszteron függő módon - K + közvetlenül hat, Na + renin-angiotenzinen át konfliktus esetén inzulin szekréció K + hatására - főleg zsírsejtek felveszik a K + többletet a H + és NH 3 kiválasztás a ph szabályozás szolgálatában áll 10

11 ph szabályozás I. normál ph 7,4-7,35 már acidózis, 7,45 alkalózis normál működés 7,0 és 7,8 között képzelhető el állandóságát a légzés és kiválasztás + a pufferrendszerek biztosítják Henderson-Hasselbalch egyenlet: [A - ] ph = pk + log [HA] a pufferek a pk-val egyező ph-n a legjobbak a legfontosabb puffer a HCO 3- /H 2 CO 3 rendszer H 2 CO 3 helyett a nevezőbe P CO2 t írhatunk, ahol a CO 2 oldhatósága pk = 6,08, vagyis a vér ph-ján (7,4) nem lenne jó puffer de mégis jó, mert CO 2 -t a légzés, HCO 3- -at a vese gyorsan tudja módosítani vérfehérjék (14-15% Hgb, 6-8% egyéb) pk-ja kb. azonos a vér ph-val - jó pufferek foszfát alárendelt, mert kevés van belőle 21/21 ph szabályozás II. 22/21 respiratórikus eltérés alkalózis és acidózis: hiper-, ill. hipoventiláció miatt - a vese kompenzál metabolikus eltérés alkalózis - pl. H + vesztés hányással acidózis anaerob energiatermelés, ketogén diéta, ketózis cukorbetegségben rövid távon a légzés, hosszú távon a vese kompenzál proximális csatornában és Henle kacsban Na + /H + kicserélő disztális tubulusban és gyűjtőcsatornában: A-sejtek - H + szekréció B-sejtek HCO 3- szekréció is acidózis esetén a szűrletben kevés HCO 3-, ilyenkor NH 3 szekréció - ez felveszi a protont a HCO 3- helyett, NH 4+ nem tud visszalépni, H + szekréció fokozódhat 11

12 A vizeletkoncentrálás 23/21 madarak és emlősök tudnak hiperozmótikus vizeletet készíteni a kéregtől a velőig nő az ozmózisnyomás a gyűjtőcsatornából kilép a víz a hiperozmótikus velőbe minél hosszabb a Henle kacs, annál töményebb lehet a vizelet - sivatagi ugróegérben a nyomáskülönbség kialakulását az ellenáram mechanizmus segíti a velőben felszálló Henle kacs ágon passzív, majd aktív Na + transzport van - Na + nem lép be a leszálló ágba, de onnan kivonja a vizet, ami ugyanolyan hatású ehhez adódik, hogy a Na + és víz kilépés miatt felhalmozódott karbamid csak a belső velőrészben léphet ki a gyűjtőcsatornából a vasa recta párhuzamosan fut a Henle kaccsal, így nem mossa ki az ozmótikus gradienst A veseműködés szabályozása 24/21 a juxtaglomeruláris apparátus sejtjei érzékelik a veseperfúzió és/vagy a NaCl csökkenését - renint adnak le a renin angiotenzinogénből (glikoprotein) angiotenzin I-et (10 aminosav) hasít konvertáló enzim (főleg a tüdőben) angiotenzin I- ből lehasít 2 aminosavat: angiotenzin II angiotenzin II serkenti a mellékvese aldoszteron szekrécióját, vazokonstrikcióval növeli a vér nyomását és fokozza az ADH termelést az aldoszteron 3 lehetséges úton fokozza a Na+ visszaszívását: pumpa serkentés, ATP termelés, apikális Na+ permeabilitás fokozás az ADH termelő sejtek a vérnyomásra és az ozmolaritásra is érzékenyek (alkohol) atriális natriuretikus peptid (ANP) - a vénás nyomás növekedésére szabadul fel a pitvarból - gátolja a renin, aldoszteron, ADH felszabadulást 12

13 A gázcsere sémája Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Az emlősök légzőszerve Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig ,

14 Légzőizmok Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig A hemoglobin szerkezete Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

15 A hemoglobin szaturációja Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Bohr-effektus Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

16 A vvt szerepe a CO 2 szállításban Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Az emlős vese szerkezete Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

17 A nefron szerkezete Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Glomeruláris filtráció Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

18 A Bowman tok podocitái Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig A Bowman tok podocitái - EM Berne and Levy, Mosby Year Book Inc, 1993, Fig

19 Juxtaglomeruláris apparátus Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig A Na + visszaszívása Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

20 A visszaszívás folyamata Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig A K + szekréció mechanizmusa Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

21 A vizelet ph szabályozása Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig Ammónia termelés a vesében Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

22 Az ellenáram elv Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, SL A koncentrálás mechanizmusa Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

23 Ozmótikus viszonyok a vesében Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig A renin-angiotenzin rendszer Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig

24 Az ADH szekréció szabályozása Eckert: Animal Physiology, W.H.Freeman and Co., N.Y.,2000, Fig