Fisiologi Sistem Respirasi

Drh. Fika Yuliza Purba, M.Sc.

Pokok Bahasan

• Ventilasi paru-paru dan pengaturannya

• Aliran darah pulmonal

• Pertukaran gas

• Transport oksigen dan metabolit

• Fungsi non-respiratoris paru-paru

• Respirasi pada aves dan mamalia air

Pendahuluan

• Hewan menghasilkan energinya dari molekul2besar yang diperoleh dari makanan. Glukosamerupakan sumber energi utama, disampinglemak dan protein

• Energi dihasilkan oleh proses biokimiawi yangdikenal sebagai respirasi seluler yang terjadi didalam mitokondria dalam sel

Respirasi

• Proses dimana organisme mengambil energibebas dalm lingkungannya denganmengoksidasi substrat organik

• Respirasi eksternal adalah pertukaran gasantara jaringan metabolik dan udara atmosfir

• Respirasi internal adalah pertukaran gas didalam sel makhluk hidup

Respirasi

• Untuk terjadinya pertukaran gas pada suatuorganisme, perlu persyaratan:

– Organisme memiliki membran pernapasan

– Organisme memiliki cara untuk menyalurkan gaske dan dari membran pernapasan

– Organisme memiliki cara untuk mengangkut gasantara membran dan sel tubuh

Respirasi

• Konsumsi oksigen dan produksi karbondioksida bervariasi tergantung pada lajumetabolisme masing-masing spesies hewan

• Spesies yang lebih kecil membutuhkan oksigenper kg berat badan lebih besar dari spesiesyang lebih besar

• Kuda dan anjing merupakan spesies yangpaling “aerobik”

Respirasi

• Respirasi juga berfungsi dalam:

– Termoregulasi

– Metabolisme senyawa endogen dan eksogen

– Proteksi organisme terhadap polutan, gas toksik dan agen-agen infeksius

• Respirasi meliputi:

– Ventilasi

– Distribusi gas dalam paru-paru

– Difusi gas pada membran alveokapiler

– Transport oksigen dalam darah dari paru-paru kejaringan kapiler dan karbondioksida (arahsebaliknya)

– Difusi gas antara darah dan jaringan

Respirasi

Respirasi

Ventilasi Paru-Paru

• Ventilasi adalah pergerakan gas menuju dan keluar ke dan dari paru-paru

• Kebutuhan oksigen metabolisme adalah sejumlah gas yang masuk ke dalam paru-paru (alveoli) per menit.

• Total volume udara yang dihirup per menit disebut minute ventilation (VE)

Ventilasi Paru-Paru

• VE ditentukan dari:

– Tidal volume = Total volume udara per sekali nafas

– Frekuensi pernapasan = jumlah nafas per menit

• VE meningkat apabila laju metabolismemeningkat

• Udara masuk ke dalam alveoli setelah melalui hidung, rongga hidung, faring, laring, trakea, bronki dan bronkiolus (conducting airways)

• Tidak terjadi pertukaran gas pada conducting airways

• Oleh karena itu disebut anatomic dead-space

Ventilasi Paru-Paru

Ventilasi Paru-Paru

• Equipment dead-space = endotracheal tube

• Alveolar dead-space = volume udara yang bersirkulasi buruk ke dalam alveoli

Gas exchange does’nt occur Gas exchange occurs (diffusion)

Ventilasi Paru-Paru

• Ventilasi alveolar dikendalikan olehmekanisme regulasi konsumsi oksigen daneliminasi karbondioksida sesuai kebutuhanmetabolisme

• Ventilasi alveolar dapat meningkat apabilahewan sedang berlatih

• Dead-space ventilation dapat terjadi di dalamalveoli, akibat buruknya sirkulasi darah

Ventilasi Paru-Paru

• Ventilasi dead-space dibutuhkan saat:

– Panting pada anjing

– Heat stress pada sapi dan babi

– Cold stress

Ventilasi Paru-Paru

• Ventilasi membutuhkan energi muskular

• Pada hewan yang sedang istirahat, inspirasimerupakan proses aktif, dan ekspirasi proses pasif(kecuali pada kuda)

• Diafragma merupakan otot primer padaproses respirasi

• Pada saat berkontraksi, diafragma terdorongke caudal sehingga rongga thorax melebar

Ventilasi Paru-Paru

• Inspirasi melibatkan m. Intercostalis eksternal

• Ekspirasi melibatkan m. Abdominal dan m.intercostalis internal

• Pada saat latihan, aktivitas otot-otot respirasimeningkat untuk meningkatkan VE

Ventilasi Paru-Paru

• Paru-paru bersifat sangat elastis (100 kali daribalon)

• Elastisitas = kemampuan suatu struktur untukkembali pada ukuran semua setelahmengalami distensi

• Elastisitas paru-paru = tekanan subatmosfer,jika terpapar tekanan atmosfir, paru-paru akanmengempis

• Stabilitas alveolar oleh 4 jenis protein

Surfactant : dipalmitoylphosphatidylcholine,surfactant apoproteins, and calcium ions

Cell alveolar type II

Ventilasi Paru-Paru

• Kontraksi otot polos menentukan diametertrakea, bronki dan bronkiolus

• Diinervasi oleh sarap parasimpatetik melaluin. Vagus

• Pelepasan asetilkolin, brikatan denganreseptor muskarinik pada otot polos,menyebabkan kontraksi dan bronkokonstriksi

• Kontraksi juga dapat ditimbulkan olehhistamin dan leukotrine

• Relaksasi otot polos, kemudian dilatasi terjadiakibat aktivasi reseptor adrenergik-β2 olehkatekolamin dari medula adrenal

• Norepinefrin yang dilepaskan dari sistemsarap simpatetik juga dapat menyebabkandilatasi

Ventilasi Paru-Paru

Ventilasi Paru-Paru

• Pertukaran gas yang optimal tergantung padakesesuaian ventilasi dan aliran darah

• Pada babi dan sapi, lobulus paru-paru terpisahdengan jelas

• Pada anjing dan kucing, tidak terpisah

• Pada domba dan kuda, terpisah secara parsial

• Abnormalitas pertukaran gas akibat obstruksisaluran udara lebih berbahaya pada babi dansapi

Aliran Darah Pulmonal

• Paru-paru menerima aliran darah dari sirkulasipulmonal dan sirkulasi bronkial

• Sirkulasi pulmonal menerima total output dariventrikel kanan jantung, berperan dalamproses pertukaran udara

• Sirkulasi bronkial mensuplai aliran darah kesaluran pernapasan dan struktur lain padaparu-paru

• Arteri pulmonalis yang menyertai bronkibersifat elastis, sedangkan pada bronkiolusbersifat muskular

• Sapi dan babi memiliki lapisan otot tebal disekitar arteri pulmonalis, sedangkan kuda,anjing dan domba lebih tipis

• Arteri pulmonalis > arteriol > kapiler

• Vena pulmonalis membawa aliran darah darikapiler ke atrium kiri jantung

Aliran Darah Pulmonal

Aliran Darah Pulmonal

• Pembuluh darah pulmonal dibagi atas:

– Pembuluh alveolar

– Pembuluh ekstra-alveolar, yaitu arteri pulmonalis,vena, arteriol dan venula (bronchovascularbundle)

• Diameter pembuluh darah memiliki fungsidalam menentukan perbedaan tekanan antarabagian dalam dan luar pembuluh, ataudisebut tekanan transmural

Aliran Darah Pulmonal

• Selama latihan, sirkulasi pulmonal harusmengakomodir peningkatan aliran darah

• Output kardia dapat meningkat 6-8 kaliselama latihan

• Peningkatan aliran darah > peningkatantekanan intravaskular > Pembuluh darahpulmonal berdilatasi

Aliran Darah Pulmonal

• Pelepasan nitri oxide dari endotheliummenyebabkan relaksasi otot polos dan dilatasipembuluh darah

• Pada kebanyakan spesies, tekanan arterialpulmonal selama latihan adalah 35 mm Hg,tapi pada kuda lebih dari 90 mm Hg

Aliran Darah Pulmonal

• Sirkulasi bronkial menyuplai bagian saluranpernapasan, pembuluh darah besar danpleura viseral pada beberapa spesies

• 2 % dari output ventrikel kiri jantung, berasaldari arteri bronkoesofageal dan arteribronkialis

• Anastomose terjadi dengan arteri pulmonalispada level kapiler dan venula

Pertukaran Gas

• Penting dalam pertukaran gas:

– Udara mengandung 21% fraksi oksigen

– Tekanan barometer (tekanan barometrik makakerapatan molekul O2 , tekanan oksigenberkurang)

PO2 = PB x FO2

PO2 atmosfer = 160 mm HgPO2 = tekanan oksigen

PB = tekanan barometrik (760 mm Hg)

FO2 = fraksi oksigen

Pertukaran Gas

• Udara dihangatkan pada suhu tubuh saat inspirasi

• Konsentrasi gas yang masuk berkurang akibat adanya molekul air sehingga:

PO2 = (PB-PH2O) x FO2

PO2 = 149 mm Hg

Pertukaran Gas

• PO2 lebih rendah di dalam alveolus dari padaudara inspirasi karena terjadi pertukaranoksigen dan karbondioksida terus menerus

• Komposisi gas alveolar ditentukan oleh lajumasuknya udara bebas dan pertukaran antaraoksigen dan karbondioksida

• Selama latihan, ventilasi alveolar harusmeningkat, jika tidak tekanan karbondioksidaalveolar akan meningkat

Pertukaran Gas

• Gangguan seperti kerusakan CNS, gangguansaraf perifer, kegagalan pemompaan darah,serta obstruksi dapat menyebabkanhipoventilasi alveolar sehingga tekanankarbondioksida alveolar meningkat danoksigen menurun

• Hiperventilasi dapat terjadi apabila terjadihipoksia dan peningkatan suhu tubuh

Pertukaran Gas

• Pertukaran O2 dan CO2 terjadi antara alveolus dan kapiler pulmonal secara difusi

• Difusi adalah pergerakan pasif dari gas melalui gradien konsentrasi

• Laju pergerakan gas antara alveolus dan darah ditentukan oleh:– Sifat fisik gas

– Area yang tersedia untuk difusi

– Ketebalan air-blood barrier

– Gradien tekanan

Pertukaran Gas

• Selain melalui air-blood barrier, difusi gas jugaterjadi di dalam plasma, memungkinkanoksigen untuk mencapai eritrosit danhemoglobin

• Pada saat latihan, otot mengambil banyakoksigen dari darah sehingga darah vena yangkembali ke paru-paru mengandung sedikitoksigen

Pertukaran Gas

• Pertukaran gas antara jaringan dan darah jugaterjadi melalui difusi

• Jaringan dengan kebutuhan oksigen yangtinggi memiliki kapiler yang lebih banyaksehingga permukaan difusi menjadi lebih lebar

Pertukaran Gas

• Perhitungan rasio V/Q yaitu ventilasi danperfusi. Idealnya setiap alveoli menerimaudara dan darah dalam jumlah yang optimaluntuk pertukaran gas

• Darah dari paru-paru yang akandidistribusikan berasal dari kapiler-kapilerdengan rasio V/Q yang berbeda

• Komposisi darah arterial ditentukan oleh rasioV/Q

Pertukaran Gas

• Untuk mengevaluasi pertukaran gas pulmonal,darah yang melewati paru-paru (cth. Daraharteri sistemik) dapat diuji

• Darah vena = sirkulasi darah dan metabolismejaringan

• Kecukupan ventilasi alveolar diuji denganpemeriksaan PACO2 yang meningkat melebihi40 mm Hg pada saat hipoventilasi danmenurun pada saat hiperventilasi

Transport gas

Transport oksigen dan metabolit

• Oksigen

– Sejumlah kecil Oksigen dibawa dalam plasma

– Sebagian besar oksigen berikatan dengan Hb

– Oksigen berdifusi dari alveoli ke dalam darah

Transport oksigen

• Hemoglobin mamalia terdiri dari 4 heme

• Setiap molekul hemoglobin dapat berikatandengan 4 molekul oksigen secara reversibel

• Perikatan oksigen-Hb terjadi melalui 4tahapan

• Afinitas oksigen dari sebuah heme dipengaruhioleh eksigenasi heme lain

Transport oksigen

• Ikatan oksigen-Hb dipengaruh oleh PO2

• Pada PO2 lebih dari 70 mm Hg, ikatan oksigen-Hb semakin sedikit = jenuh

• Oxygen capacity adalah jumlah maksimaloksigen yang dapat dibawa oleh darah padawaktu tertentu

• Anemia = kurang eritrosit = penurunan oxygencapacity

Anemia

Transport oksigen

• Darah yang terekspos pada tekanan oksigen(min. 40 mm Hg) akan melepaskan oksigen kedalam jaringan

• Oxygen content = jumlah oksigen yangberikatan dengan Hb

• Setelah oksigen keluar dari darah memasukijaringan, oxygen content berkurang, tapioxygen capacity tetap

Transport oksigen

• Ikatan oksihemoglobin dipengaruhi oleh:

– Suhu darah

– pH

– PCO2

– Konsentrasi fosfat organik intraselular (2,3-diphosphoglycerate)

– CO

Control factors decrease increase

Temperature left shift right shift

2.3-BPG left shift right shift

p(CO2) left shift right shift

pH (Bohr effect) right shift (acidosis) left shift (alkalosis)

•Left shift: high O2 affinity

•Right shift: low O2 affinity

Sianosis

• Perubahan warna hemoglobin dari merahcerah menjadi kebiruan

• Terlihat pada membran mukosa sebagai akibatkondisi hipoksia

– Defisiensi uptake oksigen dari paru-paru

– Penurunan aliran darah ke jaringan perifer(gangguan kardiovaskular)

Methemoglobin

• Fe2+ menjadi Fe3+ -> hemoglobin abnormal

• Kondisi dimana nitrit dan toksin lain berikatandengan zat besi sehingga hemoglobinberwana kecokelatan

• Methemoglobin tidak dapat berikatan denganoksigen -> penurunan oxygen capacity

• Nitrit dapat diperoleh dari pakan

• Ruminan mengubah nitrat -> nitrit di dalamrumen

Transport karbondioksida

• Karbondioksida dibawa dalam plasma darah dankombinasi kimia

• PCO2 jaringan lebih tinggi dari PCO2 darah,sehingga CO2 berdifusi ke dalam darah

• 5% CO2 larut dalam darah

• Sebagian besar CO2 berdifusi ke dalam eritrosit

– Berikatan dengan air dan membentuk ion karbonat

– Carbamino coumpounds (ikatan CO2 dan NH-protein )

Transport gas saat latihan

• Laju transport gas dalam darah dipengaruhioleh laju metabolisme

• Meningkatnya kebutuhan gas = peningkatancardiac output = peningkatan uptake oksigendari paru-paru

• Mioglobin berfungsi transfer oksigen antarasel-sel otot, juga dapat menyimpan oksigendalam jumlah kecil

Fungsi non-respiratoris paru-paru

1. Mekanisme pertahanan paru-paru

– Agen infeksi, allergen, endotoksin, polutan(ammonia, asap kendaraan, oksidasi nitrogendan ozone)

– Mekanisme pertahanan spesifik dan non spesifik

– Penyebab utama: stres

• Stres transportasi dapat mengakibatkan pneumoniadan peluritis

Fungsi pertahanan

• Partikel dan komponen aerosol akan dieliminirsaat mengenai permukaan epitheltrakeobronkial

• Mekanisme pertahanan: jaringan limfatik;tonsil dan jaringan limfoid-bronkus

• Pola pernapasan mempengaruhi deposisipartikel dalam saluran pernapasan

• Deposisi gas toksik tergantung padakonsentrasi dan kelarutannya

Fungsi pertahanan

• Gas toksik dapat menstimulir berbagaimekanisme pertahanan seperti bronkospasm,hipersekresi mukus, batuk dan bersin

• Partikel yang terdeposit pada permukaanepithel akan dibawa ke mucocilliary escalatordi dalam faring, dan tertelan

• Sistem mucocilliary terdiri dari lapisan mukussol dan gel

Fungsi pertahanan

Fungsi pertahanan

• Makrofag merupakan penyusun sebagianbesar sel dalam cairan alveolar

• Berasal dari monosit dan berdiferensiasiselama berada dalam darah

• Complement, opsonin dan lisozyme bersamamakrofag berfungsi menghancurkan partikel

• Fungsi makrofag dipengaruhi olehglukokortikoid dan corticosteroid

Fungsi pertahanan

• Cytokines dan chemokines = protein yangdilepaskan oleh monosit, sel-sel epithel danendothelial yang terluka dan sel-sel lain.

• Fungsi utama menarik sel-sel yang berperandalam peradangan pada sisi terjadinya infeksi

• Cth: kerusakan epithel paru-paru atau adanyabakteri menyebabkan pelepasan cytokinestumor necrosis factor dan interleukin darimakrofag

Pertukaran cairan pulmonal

• Filtrasi cairan terjadi antara kapiler danjaringan interstitial pada septum alveolar

• Pergerakan cairan keluar dari kapiler terjadiantara sel-sel endothelial

• Epithel alveolar kurang permeabel daripadakapiler endothelium, sehingga cairan tidakakan mencapai alveoli sebelum terdapatkerusakan epithel

Pertukaran cairan pulmonal

• Pergerakan cairan antara kapiler daninterstitium dipengaruhi oleh perubahanpermeabilitas vaskular dan tekanan hidrostatikdan onkotik

• Peningkatan tekanan hidrostatik kapiler terjadisaat hewan latihan atau gagal jantung ->peningkatan filtrasi cairan dari kapiler keinterstitium

Pertukaran cairan pulmonal

• Ruang pleural mengandung sejumlah kecilcairan yang berfungsi lubrikasi antarapermukaan pleural

• Cairan dikoleksi oleh pembuluh limfa melaluistomata pada pleura parietal

• Akumulasi cairan terjadi apabila tekanankapiler meningkat atau permeabilitas vaskularmeningkat akibat peradangan (pleuritis)

Fungsi metabolik

• Karena menerima total output kardia, kapilerpulmonal dengan permukaan endothelial-nyaberfungsi membersihkan darah dari senyawa-senyawa yang dihasilkan oleh bagian tubuhlain

• Serotonin, norepinephrine, bradykinine,angiotensin

• Toksin dari tanaman Crotalaria

Sistem Respirasi pada Aves

Sistem Respirasi pada Aves

• Fungsi:

– Menyuplai oksigen ke dalam jaringan dan mengeluarkan karbondioksida

– Termoregulasi

Sistem Respirasi Aves

• Seekor burung yang sedang terbangmembutuhkan energi lebih banyak daripadamamalia

• Ketinggian mengakibatkan komposisi oksigendalam udara menjadi lebih sedikit

Sistem Respirasi Aves

• Sistem respirasi Aves terdiri dari:

– Paru-paru yang terbagi atas 2 bagian yang samayang dihubungkan oleh trakea

– 9 kantung udara yang berperan penting, namuntidak berfungsi pertukaran gas

Sistem Respirasi pada Aves

• Kantung udara memungkinkan aliran udara yangselalu “segar” (kaya oksigen) ke dalam paru-paru

• Pada Aves, lebih banyak oksigen tersedia untukberdifusi ke dalam darah

• Kantung udara:– Interclavicular (1)

– Cervical(2)

– Anterior thoracic (2)

– Posterior thoracic (2)

– Abdominal (2)

Anatomi Respirasi Aves

Kantung udara

• Undirectional (Aves) Biderictional (mamalia)

Sistem Respirasi Aves

• Aves dapat bernafas melalui mulut dan hidung

• Udara masuk dan menuju faring, kemudianmelewati trakea

• Trakea membagi dua ke dalam bronki primerpada syrinx

• Bronki primer masuk ke dalam paru-paru dandisebut mesobronki

• Mesobronki bercabang menjadi dorsobronkidan parabronki

Sistem Respirasi Aves

• Parabronki mengandung ratusan kapiler udara yang disuplai oleh kapiler darah

• Kapiler udara merupakan tempat pertukaran udara antara paru-paru dan darah

• Udara bergerak menuju ventrobronki

Sistem Respirasi Aves

Mekanisme inspirasi dan ekspirasi

Inspirasi

Ekspirasi

Kontrol Ventilasi

• Ventilasi dan laju respirasi dikendalikan olehkebutuhan oksigen akibat aktivitas metabolikdan input sensorik

• Kontrol respirasi terletak dalam otak, padapons dan medulla oblongata