Fysiologie: Ademhaling bij dieren

Ademhaling: Regulering van vorm en functie van dieren

• Ronald Wilders van het AMC, Afdeling Medische Biologie geeft deze HC Fysiologie op dinsdag 4 februari 2025, van 9-11 uur in SP L1.02.
• Fysiologie is de leer der levensverrichtingen, inclusief de normale werking van hart en longen.
• De colleges fysiologie omvatten:
  • Ademhaling (dinsdag 4 februari, 9-11 uur).
  • Hart & Circulatie (donderdag 6 februari, 15-17 uur).
  • Spijsvertering (maandag 10 februari, 13-15 uur).
  • Urogenitaal Systeem (maandag 17 februari, 13-15 uur).
  • Meer colleges Fysiologie van Rob de Heus omvatten endocrinologie en zenuwstelsel.
• De behandelde topics zijn: Structuur en functie, ademmechanica, spirometrie, gastransport, ademregulatie.

Ademhaling in mens en dier

• Ademhaling omvat de aanvoer van O2 uit de omgeving en de afvoer van CO2 naar de omgeving.
• Dit gebeurt altijd via diffusie, zonder actief transport van O2 of CO2.
• De diffusiesnelheid (Q) wordt bepaald door:
  • Diffusiecoëfficiënt (D), afhankelijk van temperatuur.
  • Verschil in partiële gasdruk (ΔP).
  • Diffusieafstand (L).
  • Diffusieoppervlak (A).
• De wet van Fick stelt dat Q = (D x A x ΔP) / L.

Optimalisatie van diffusie in het dierenrijk

• Optimalisatie van diffusie omvat het minimaliseren van L en het maximaliseren van A.

Ademhaling in de mens

• Ademhaling in de mens omvat de aanvoer van O2 en afvoer van CO2, handhaving van de pH (CO2 + H2O ⇆ H+ + HCO3-).
• Bescherming tegen ongewenste stoffen via reiniging van de buitenlucht vindt ook plaats, evenals het produceren van geluid door luchtstroming langs de stembanden.
• Effectieve ademhaling is onmogelijk zonder circulatie, aangezien het circulerende bloed O2 en CO2 transporteert.

Anatomie van het ademhalingsstelsel

• Belangrijke structuren omvatten de keelholte (pharynx), het strottenhoofd (larynx), de slokdarm (esophagus), de luchtpijp (trachea) en de strotklepje (epiglottis).

Ademhalingsspieren

• Rustige ademhaling is een actief proces bij inademing (voornamelijk door het diafragma) en een passief proces bij uitademing (terugveren van de longen).
• Belangrijke spieren zijn de spieren van nek en borstbeen, de externe en interne tussenribspieren, het diafragma, en de buikspieren

Beweging van ribben en diafragma

• Bij inademing zetten de ribben uit door het aanspannen van de ribspieren en contracteert het diafragma, waardoor het naar beneden beweegt.
• Bij uitademing ontspannen de ribspieren, worden de ribben kleiner en ontspant het diafragma, waardoor het omhoog beweegt.

Bronchogram

• Het bronchogram toont de trachea, carina, linker en rechter primaire bronchus en andere bronchiale structuren

Structuur van de luchtwegen

• De kraakbeenringen verstevigen de trachea.

Functionele structuur

• Alveoli en capillairen zijn nauw met elkaar verweven voor gasuitwisseling.
• De alveolocapillaire membraan, bestaande uit alveolaire vloeistof, epitheelcellen, basaalmembraan en capillaire endotheelcellen, faciliteert diffusie.

Rol van surfactant

• Watermoleculen trekken elkaar aan, waardoor oppervlaktespanning ontstaat in de alveoli.
• Kleine alveoli hebben van nature de neiging leeg te lopen.
• Surfactant, geproduceerd door type II pneumocyten, verlaagt de oppervlaktespanning, vooral in kleine alveoli.
  • Dit verhoogt de compliantie (opblaasbaarheid) van de alveoli en voorkomt dat kleine alveoli leeglopen in grotere alveoli.

Werking surfactant

• Surfactant verhoogt de compliantie van alveoli en voorkomt het leeglopen van kleine alveoli in grote alveoli.

Luchtwegen als buizenstelsel

• De luchtwegen vertakken zich meer dan 22 keer, eindigend in clusters van alveoli.

Overgang in structuur

• Het epitheel, slijmklieren en gladde spieren veranderen van structuur naarmate de luchtwegen overgaan van conductief naar respiratoir.

Longvolume

• De longen bevatten ongeveer 480 miljoen alveoli, met een totaal ademend oppervlak van 50 tot 100 m².

De pleura

• De pleuraholte is gevuld met ongeveer 8 mL water en bevindt zich tussen de pleura visceralis (buitenbekleding van de long) en de pleura parietalis (binnenbekleding van de thorax).

Druk in de luchtwegen

• Evangelista Torricelli (1608–1647) demonstreerde de druk van de buitenlucht.
• De druk van de buitenlucht is 760 mm Hg.
• 1 mm Hg staat gelijk aan 1,36 cm H2O of 0,136 kPa.

Kerktoren experiment

• De Amsterdamse Westertoren gebruikte ooit een 27,5 m hoge kwikkolom als drukstandaard.

Pneumothorax

• Pneumothorax treedt op als de pleuraholte lek raakt, wat leidt tot het samenvallen van de long.
• De long heeft de neiging van nature samen te vallen, terwijl de thorax de neiging heeft uit te zetten.
• In rust is er een evenwicht, het ademrustniveau, waarbij de long net zo hard naar binnen wil als de thorax naar buiten.

Ademrustniveau

• In normale longen in rust zijn alle drukken gerelateerd aan de buitenlucht, waarbij de druk van de buitenlucht op 0 wordt gesteld.

Ademhaling in rust

• Inademing is een actief proces waarbij de Ppl extra negatief wordt gemaakt, terwijl uitademing passief is, waarbij de longen terugveren.

Spirometrie

• Spirometrie is een meettechniek voor de hoeveelheid lucht die iemand kan inademen en uitademen.

Spirogram

• Het teugvolume bij rustige ademhaling is ongeveer 0,5 L.

Spirometrie volumes

• Het residu volume (RV) kan niet uit het spirogram worden afgelezen.

Bepaling FRC en RV

• Functional Residual Capacity (FRC) en Residual Volume (RV) kunnen worden bepaald met de heliumverdunningsmethode:
  • Voeg helium (He) toe aan het einde van een rustige uitademing.
  • Bepaal de concentratie van helium ([He]) na vermenging met de longlucht.
  • Bereken de FRC.
• ERV (Expiratory Reserve Volume) kan worden bepaald met een spirometer.

Gas transport

• De druk van de buitenlucht is 760 mm Hg.
• Zuurstof (O2) vertegenwoordigt 21% van de buitenlucht.
• Koolstofdioxide (CO2) vertegenwoordigt 0,04% van de buitenlucht.
• Partiële drukken zijn: PO2 = 160 mm Hg en PCO2 = 0,3 mm Hg.

Gases in de longen

• Buitenlucht vermengt zich met "oude" alveolaire lucht tot een vrijwel constante PO2 van 100 mm Hg en een PCO2 van 40 mm Hg.

Gas transport

• Alveoli: PO2 = 100 mm Hg, PCO2 = 40 mm Hg perifeer weefsel: PO2 ≤ 40 mm Hg, PCO2 ≥ 46 mm Hg

Zuurstof transport

• Zuurstoftransport omvat de binding van zuurstof aan hemoglobine in rode bloedcellen.
• Ongeveer 98% van de zuurstof wordt via hemoglobine getransporteerd, en minder dan 2% is opgelost in plasma.

Gas uitwisseling

• O2 laat los van hemoglobine in de zuurstofarme weefsels.

Het Bohr effect

• De O2-dissociatiecurve verschuift naar rechts bij een lagere pH.
• Dit resulteert in een verminderde binding van O2 aan hemoglobine in een CO2-rijke omgeving, zoals bij metabool actieve cellen.

Soorten hemoglobine

• Er bestaan verschillende soorten hemoglobine met elk eigen affiniteit.
• Foetale hemoglobine heeft een hogere affiniteit voor zuurstof in vergelijking met maternale hemoglobine.

Hemoglobine vs Myoglobine

• Myoglobine heeft een hogere affiniteit voor O2 in vergelijking met Hemoglobine.
• De affiniteit van zuurstof zorgt ervoor dat hemoglobine zuurstof afgeeft aan myoglobine in spierweefsel.

Koolstof-dioxide transport

• Koolstofdioxide wordt op diverse manieren getransporteerd, zie de samenvattende tabel.

Neurale aansturing

• Het ademhalingscentrum bestaat uit groepen neuronen in de medulla oblongata en de pons.
• De informatie komt van centrale en perifere chemoreceptoren.

Perifere chemoreceptoren

• Perifere chemoreceptoren bevinden zich in kleine lichaampjes (glomera) in enkele grote arteriën.
• Glomus caroticum bevindt zich ter hoogte van de sinus caroticus.
• Glomera aortica bevindt zich tegen de aortaboog aan.

Functie perifere receptoren

• Perifere chemoreceptoren reageren op veranderingen in arteriële PCO2, PH en PO2.
• Ze zijn minder belangrijk dan centrale chemoreceptoren.

Centrale chemoreceptoren en CO2

• Centrale chemoreceptoren zijn belangrijker dan perifere chemoreceptoren!
• Ze zijn gelegen aan de centrale zijde van de medulla oblongata.
• Ze reageren indirect op CO2 en waterstof ionen veranderingen in de extracellulaire vloeistof van de medulla.
• Een hoge PCO2 is de belangrijkste stimulus voor de ademhaling!

HC Fysiologie over de ademhaling bij mens en dier, gegeven door Ronald Wilders. Onderwerpen omvatten structuur, functie, ademhalingsmechanica, spirometrie, gastransport en ademhalingsregulatie. Diffusiesnelheid en andere relevante aspecten worden behandeld.