Fisika Paru-Paru dan Pernafasan

A.     Jalur Udara

            Alveoli,yang berbentuk seperti gelembung-gelembung tersambung yang kecil,memiliki 0,2 mm (selembar kertas memiliki  ketebalan 0,1 mm) dan memiliki dinding dengan ketebalan hanya 0,4 mm.mereka meluas dan berkontraksi selama pernafasan; mereka “dimana kegiatan berlangsung”Melakukan pertukaran O2 dan berdifusi dari alveolus ke sel-sel darah merah dan CO2 dapat berdifusi dari darah merah menuju udara dalam alveolus.  Saat lahir paru-paru memiliki  sekitar 30 juta. Di atas usia ini   jumlah tersebut relative tetap,tetapi diameter alveoli meningkat.alveoli memainkan peranan penting dalam pernafasan yang akan kita diskusikan lebih detil pada bagian 7.5            

C.      Pengukuran Volume Paru-ParuPeralatan yang relative sederhana, spirometer (gbr 7.7), digunakan untuk mengukur aliran udara yang masuk maupun keluar   dari   paru-paru   dan   merekam   aliran   udara   dalam   grafik   volume   terhadap   waktu.   Gambar   7.8   menunjukan perekaman yang biasa dilakukan pada orang tua dengan kondisi pernafasan yang beragam. Selama pernafasan normal pada keadaan istirahat (tidal volume at rest). Pada permulaan dan akhir pernafasan normal terdapat penerimaan yang dapat  dipertimbangkan.   Pada  akhir   penghirupan   nafas   secara  normal  mungkin  diikuti  oleh  usaha  untuk   kemudian memenuhi paru-paru dengan udara. Udara tambahan yang dihirup disebut sebagai volume penerimaan penghirupan (inspiratory reserve volume).

Spirometer digunakan mengukur variasi kuantitas fungsi paru. Aliran udara kedalam dan keluar paru-paru direkam pada kertas berputar.  a) Penampang melintang spirometer memperlihatkan bagaimana air digunakan sebagai penjaga ketat udara didalam drum seimbang.  b) Satu dari penulis (JRC) menghasilkan grafik yang diperlihatkan pada gambar 7.8. Klem hidung menekan semua udara melalui mulut.

D.     Hubungan Tekanan-Aliran Udara-Volume Pada Paru-ParuHubungan tekanan, aliran udara dan volume pada paru-paru selama pasang surut pernafasan untuk subjek yang normal dan   untuk   pasien   dengan   saluran   udara   yang   sempit.   Perbedaan   tekanan   dibutuhkan   untuk   menyebabkan   udara mengalir kedalam atau keluar paru-paru bagi kesehatan individual cukup kecil.  perbedaan tekanan hanya terdiri dari beberapa sentimeter air (~200Pa) untuk individu normal. Gbr 7.9b menunjukan tingkat aliran udara masuk dan keluar dari paru-paru dalam ukuran liter per menit, dan gbr 7.9c menunjukan volume paru-paru selama perputaran pernafasan.             Paru-paru dan dinding dada normalnya berpasangan dimana paru-paru mencoba untuk mengempis dan dada mencoba meluas. Tingkah laku dari system adalah hasil dari kombinasi dua karaktersistik fisik. volume terhadap tekanan untuk dinding dada dan paru-paru yang terpisah berada pada satu kesamaan.Volume diberikan sebagai prosentase dari kapasitas vital. Bila dinding dada terbebas dari interaksi dengan paru-paru dinding dada akan memiliki volume sebesar dua per tiga dari keseluruhan kapasitas vital. Paru-paru sendiri akan kolaps dan tidak sedikitpun memiliki volume udara. Paru-paru dan dinding dada bersama-sama berada pada volume relaksasi (FRC) sekitar 30% dari keseluruhan kapasitas vital.

E.      Fisika AlveoliAlveoli secara fisika terdiri dari jutaan gelembung kecil yang berhubungan,mereka memiliki kecenderungan alami untuk menjadi lebih kecil terhadap tekanan permukaan pada penggarisan unik cairan. Penggarisan ini,disebut surfactant,sangat penting untuk paru-paru agar berfungsi dengan semestinya.ketidak hadiran surfactant dalam paru-paru pada bayi yang baru lahir,khususnya untuk yang lahir prematur,adalah penyebab sindrom ketegangan pernafasan idiopatik (RDS),yang kadang-kadang di sebut penyakit selaput hyaline.idiopathik artinya penyebab tidak diketahui.penyakit ini menyebabkan kematian ribuan bayi tiap tahun di amerika serikat.Tegangan permukaan air dapat di temukan dengan mengukur beberapa banyak usaha yang dibutuhkan untuk menarik lingkaran kawat dari  permukaan cairan bersih. Tegangan permukaan dari  permukaan air-udara adalah 72 x 10 N/M; penghancuran   permukaan   detergan   di   udara   adalah   dari   25   sampai   45   x   10   N/M.pengukuran   kualitatif   tegangan permukaan ialah untuk mencatat seberapa lama gelembung kecil pada cairan dapat bertahan.senakin rendah tegangan permukaan,semakin lama gelembung bertahan. Pada tahun 1955 tercatat bahwa gelembung yang ditunjukkan dari paru-paru   sangat   stabil   dan   bertahan   berjam-jam.dapat   disimpulkan   bahwa   gelembung   harus   berpada   pada   tegangan permukaan yang sangat rendah,dengan demikian tekanan rendah dalam gelembung.

Tegangan permukaan sebagai fungsi dari  luas film.(A) penampakan skema alat yang di gunakan mengukur tegangan permukaan film. Bejana penuh berisi cairan ,film dari material yang di pelajari di tebar pada permukaan ,pembatas yang bergerak digunakan untuk menekan film dan plat keseimbangan kontinu mencatat tegangan permukaan Y.(B) grafik dari tegangan permukanan dari paru berisi ekstraksi surfactant.catat berkurangnya luas dalam tegangan permukaan seperti berkurangnya   luas  danperbedaan  kurva  diperoleh  seperti  bertambahnya   luas.garis   tegak   lurus   sekitar  70  dynes/cm memperlihatkan bahwa tegangan permukaan air adalah konstan dengan berubahnya luas.(Dari Hildebrandt,J and Young A.C. In T.C Ruch and h>D.patton(Eds) ,Physiology and Biophysica 19Th ed,. W.B. Saundres company,Phyladelphia.1965

F.       Mekanisme pernafasanPernafasan secara normal berada di bawah kontrol tidak sadar walaupun tingkat pernafasan dapat diubah ,seseorang tidak menyadari pernafasan pada sebagian besar waktu kecuali ia menderita asma atau emphysema.kontrol psikologis pada  pernafasan   tergantung  pada  bnayak   faktor   tetapi  pH  pada  pusat   aspirasi  dalam  otak  mengusahakan  kontrol mendasar.Fisika paru-paru dapat didemokan secara kasar oleh balon yang terikat kedalam bejana plastik transparan (dimisalkan dada)  dan selembar karet  benar-benar menutup ujung terbuka yang  luas  (  dimisalkan diafragma).leher  balon suatu penutup kedap udara dipuncuk atas”dada” supaya balon menggelembung.suatu lubang keluar diperlukan sumbat gabus dipindahkan dari lubang kecil kepuncak.(a) setelah balon menggelembung sumbat berpindah saat udara mulai keluar dari balon,tekanan negatif dihasilkan dalam rongga dada menyebabkan “diafrgama”mendekati cocok ,balon (paru-paru akan berisi sedikit udara.bila satu tarikan kebawah pada “diafragma”,anda dapat lihat udara masuk ke “paru-paru” agak sukar   mendapatkan   pegangan   diafragma   menarik   kebawah).(b)   pneumothorax-   udara   dalam   rongga   dada-dapat distimulasi dengan menggerakan sumbat memasukan udara ke”dada”,”paru-paru” mengempis .dalam model sederhana ini”diafragma”   juga   rata.setiap   paru   ada   dalam   kompartemenya,dan   normalnya   kedua   paru   tidak   mengempis bersamaan.

H.     Kerja Pernafasan.Beberapa pekerjaan yang dilakukan pada pernafasan normal menyebabkan sejumlah fraksi kecil dari keseluruhan energi dikonsumsi oleh tubuh (-2% pada saat beristirahat). Pekerjaan utama pernafasan dapat diumpamakan sebagai pekerjaan yang dilakukan pada peregangan per yang mewakili  paru-paru,dinding dada dan sistem diafragma.yang proporsional bagaimanpun juga hal ini adalah penederhanaan yang berlebihan dari cara pernafasan tahanan jaringan dan perlawanan aliran gas menghasilkan panas:ini dapat di wakili oleh noda yang mengotori . kelembaman per dariparu-paru dan dinding dada juga harus diterima ;pada tingkat pernafasan normal,kelembaban dapat di tiadakan,tetapi pada tingkat pernafasan maksimum(lebih dari100 pernafasan/menit).hal ini dapat menjadi faktor yang signifikan,usaha pernafasan di tunjukan oleh total daerah berbahaya pada gbr 7.25b; daerah berbahaya yang lebih gelap mewakili usaha terhadap per C dan daerah   yang   lebih   terang   mewakili   usaha   terhadap   perlawanan.selama   pernafasan   normal   tidak   ada   usaha   yang dilakukan selama pengeluaran ;otot-otot beristirahat dan per memadat untuk mengeluarkan udara.usaha pernafasan selama latihan berat dapat menghabiskan 25% total konsumsi energi tubuh

I.        Fisika beberapa penyakit paru-paru yang umumPenyakit  paru-paru  menyebabkan  prosentase  yang  tinggi  pada  permasalahan  kedokteran   .diperkirakan   sekitar  15% penduduk amerika serikat diatas usia 40 terdeteksi memiliki penyakit paru-paru.banyak dari penyakit ini dapat dipahami oleh karena perubahan fisik pada paru-paru .tentu saja hal ini tidak berarti bahwa ahli kedokteran dapat menyembuhakn mereka.aspek fisika dari  penyakit  paru-paru yang umum di  diskusikan pada bagian  ini.fisika  RSD pada bayi   telah di diskusiakn pada bagian 7.5Pada keadaan istirahat hanya sedikit fraksi kapasitas paru-paru yang di gunakan.oleh karena itu penyakit paru-paru dapat mengurangi   kapasitas   sering   tidak   menunjukan   gejala   pada   tingkat   permulaan   ketika   gejala   timbul,penyakit   sudah berkembang.banyak tes fungsi paru-paru mengusahakan mekanisme paru-paru pada batasannya dan oleh karena itu mempermudah deteksi perubahan yang tidak biasanya.terdapat beberapa tes sederhana yang harus dilakukan pada tiap pemeriksaan kesehatan.Pada radang jaringan paru-paru selaput diantara alveoli menebal.hal ini memiliki dua pengaruh : (1) compliance paru-paru menurun dan,(2) difusi O2 menunju pulmonary kapiler menurun.penolakan pengeluaran biasanya normal.sesorang yang   menderita   penyakit   ini   akan   menderita   kesakitan   bernafas   (dyspnea)   atau   pemendekkan   nafas   selama latihan.radang   jaringan   (fibrosis)paru-paru   dapat   timbul   bila   paru-paru   teriritasi   (misalnya:   penyembuhan kangker),walaupun ini bukanlah satu-satunya penyebab.

BIOKIMIA SISTEM PERNAPASAN

A.     Volume Udara PernafasanDalam keadaan normal, volume udara paru-paru manusia mencapai 4500 cc. Udara ini dikenal sebagai kapasitas total udara pernapasan manusia.Walaupun demikian,  kapasitas  vital  udara yang digunakan dalam proses bernapas mencapai  3500 cc,  yang 1000 cc merupakan sisa udara yang tidak dapat digunakan tetapi senantiasa mengisi bagian paru-paru sebagai residu atau udara sisa.  Kapasitas vital  adalah jumlah udara maksimun yang dapat dikeluarkan seseorang setelah mengisi  paru-parunya secara maksimum.Dalam keadaaan normal, kegiatan inspirasi dan ekpirasi atau menghirup dan menghembuskan udara dalam bernapas hanya menggunakan sekitar 500 cc volume udara pernapasan (kapasitas tidal = ± 500 cc). Kapasitas tidal adalah jumlah udara yang keluar masuk pare-paru pada pernapasan normal.  Dalam keadaan luar biasa,   inspirasi  maupun ekspirasi dalam menggunakan sekitar 1500 cc udara pernapasan (expiratory reserve volume = inspiratory reserve volume = 1500 cc.Volume paru-paru dapat meningkat akibat kontraksi otot antar tulang rusuk dan otot diafragma dan dalam keadaan aktivitas fisik berat, dibantu oleh otot-otot lain (leher, punggung, dada) untuk meningkatkan volume paru-paru.

B.      Gas-gas dalam Udara Pernapasan Persentase gas utama pernapasan dalam udara yang keluar masuk paru-paru :

Gas Udara luar sebelum masuk paru-paru(%)

Udara di alveoli (%)

Udara yang keluar dari paru-paru (%)

Nitrogen (N2) 79,01 80,7 79,6Oksigen (O2) 20,95 13,8 16,4Karbon dioksida (CO2) 0,04 5,5 4,0

Pertukaran udara berlangsung di dalam avelous dan pembuluh darah yang mengelilinginya.  Gas oksigen dan karbon dioksida akan berdifusi melalui sel-sel yang menyusun dinding avelous dan kapiler darah. Udara aveolus mengandung zat oksigen yang lebih tinggi dan karbon dioksida lebih rendah dari pada gas di dalam darah pembuluh kapiler. Oleh karena itu molekul cenderung berpindah dari konsentrasi yang lebih tinggi ke rendah, maka oksigen berdifusi dari udara aveolus ke dalam darah, dan karbon dioksida akan berdifusi dari pembuluh darah ke avelous. Pengangkutan CO₂ oleh darah dapat dilaksanakan melalui 3 cara yaitu : (1) Karbondioksida larut dalam plasma dan membentuk asam karbonat dengan enzim anhydrase. (2) Karbondioksida terikat pada hemoglobin dalam bentuk karbomino hemoglobin (3) Karbondioksida terikat dalam gugus ion bikarbonat (HCO₂) melalui proses berantai pertukaran klorida.

C.      Energi Dan PernafasanEnergi   yang   dihasilkan   oleh   proses   pernapasan   akan   digunakan   untuk   membentuk   molekul   berenergi,   yaitu   ATP (Adenosin Tri Phospate). Selanjutnya,molekul ATP akan disimpan dalam sel dan merupakan sumber energy utama untuk aktivitas tubuh. ATP berasal dari perombakan senyawa organik seperti karbohidrat, protein dan lemak. Gula (glukosa) dari pemecahan karbohidrat dalam tubuh diubah terlebih dahulu menjadi senyawa fosfat yang dikatalisis oleh bantuan enzim glukokinase. Selanjutnya senyawa fosfat diubah menjadi asam piruvat dan akhirnya dibebaskan dalam bentuk H₂O dan CO₂ sebagai hasil samping oksidasi tersebut. Proses respirasi sel dari bahan glukosa secara garis besar, meliputi tiga tahapan, yaitu proses glikosis, siklus Krebs, dan transfer elektron.Pada pekerja berat atau para atlit yang beraktivitas tinggi, pembentukan energy dapat dilakukan secara anaerobic. Hal ini disebabkan bila tubuh kekurangan suplai oksigen maka akan terjadi proses perombakan asam piruvat menjadi asam laktat yang akan membentuk 2 mol ATP.

D.     Frekuensi PernafasanJumlah   udara   yang   keluar   masuk   ke   paru-paru   setiap   kali   bernapas   disebut   sebagai   frekuensi   pernapasan.   Pada umumnya,frekuensi   pernapasan   manusia   setiap   menitnya   sebanyak   15-18   kali.   Cepat   atau   lambatnya   frekuensi pernapasan dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya :Usia. Semakin bertambahnya usia seseorang akan semakin rendah frekuensi pernapasannya.Hal ini berhubungan dengan energy yang dibutuhkan.Jenis kelamin.   Pada   umumnya   pria   memiliki   frekuensi   pernapasan   yang   lebih   tinggi   dibandingkan   dengan wanita.Kebutuhan akan oksigen serta produksi karbondioksida pada pria lebih tinggi dibandingkan wanita.Suhu tubuh.   Semakin   tinggi   suhu   tubuh   seseorang   maka   aka   semakin   cepat   frekuensi   pernapasannya,   hal   ini  berhubungan dengan penigkatan proses metabolism yang terjadi dalam tubuh.Posisi atau kedudukan tubuh.  Frekuensi pernapasan ketika sedang duduk akan berbeda dibandingkan dengan ketika sedang berjongkok atatu berdiri.Hal  ini berhubungan erat dengan energy yang dibutuhkan oleh organ tubuh sebagai tumpuan berat tubuh.

Aktivitas. Seseorang yang aktivitas fisiknya tingi seperti olahragawan akan membutuhkan lebih banyak energi daripada orang  yang  diamatau   santai,   oleh  karena   itu,   frekuensi  pernapasan  orang   tersebut   juga   lebih  tinggi.  Gerakan  dan frekuensi pernapasan diatur oleh pusat pernapasan yang terdapat di otak. Selain itu, frekuensi pernapasan distimulus oleh konsentrasi karbondioksida (CO₂) dalam darah.

E.      Pengangkutan O2 & CO2 dalam DarahO2 yang telah berdifusi dari alveoli ke dalam darah paru akan ditranspor dalam bentuk gabungan dengan hemoglobin ke kapiler   jaringan,   dimana   O2   dilepaskan  untuk  digunakan   sel.  Dalam  jaringan,   O2   bereaksi   dengan  berbagai   bahan makanan, membentuk sejumlah besar CO2, yang masuk ke dalam kapiler jaringan dan ditranspor kembali ke paru.

F.       Tekanan o2 dan co2 dalam paru, darah dan jaringanGas dapat bergerak dengan cara difusi, yang disebabkan oleh perbedaan tekanan. O2 berdifusi dari alveoli ke dalam darah   kapiler   paru   karena   PO2   alveoli   >   PO2   darah   paru.   Lalu   di   jaringan,   PO2   yang   tinggi   dalam   darah   kapiler menyebabkan O2 berdifusi ke dalam sel. Selanjutnya, O2 dimetabolisme membentuk CO2. PCO2 meningkat, sehingga CO2 berdifusi ke dalam kapiler jaringan. Demikian pula, CO2 berdifusi keluar dari darah, masuk ke alveoli karena PCO2 darah kapiler paru lebih besar.

G.     Pengangkutan o2O2 yang diangkut darah terdapat dalam 2 bentuk, yang terlarut dan terikat secara kimia dengan Hb. Jumlah O2 terlarut plasma darah berbanding lurus dengan tekanan parsialnya dalam darah. Pada keadaan normal, jumlah O2 terlarut sangat sedikit,  karena kelarutannya dalam cairan tubuh sangat rendah. Pada PO2 darah 100mmHg, hanya + 3 mL O2 yang terlarut  dalam 1  L  darah.  Dengan demikian,  pada  keadaan  istirahat,   jumlah  O2  terlarut  yang  diangkut  hanya +  15 mL/menit. Karena itu, transpor O2 yang lebih berperan adalah dalam bentuk ikatan dengan Hb.

H.     Pengangkutan CO2

CO2 yang dihasilkan metabolisme jaringan akan berdifusi ke dalam darah dan diangkut dalam 3 bentuk, yaitu:

1.  Daya larut CO2 dalam darah  CO2 terlarut  > O2, namun pada PCO2 normal, hanya +10% yang ditranspor berbentuk terlarut.

2.   Ikatan  dengan  Hb  dan  protein  plasma  +30%  CO2  berikatan  dengan  bagian   globin  dari   Hb,  membentuk  HbCO2 (karbaminohemoglobin).Deoksihemoglobin   memiliki   afinitas   lebih   besar   terhadap   CO2   dibandingkan   O2.   Pelepasan   O2   di   kapiler   jaringan meningkatkan kemampuan pengikatan Hb dengan CO2. Sejumlah kecil CO2 juga berikatan dengan protein plasma (ikatan karbamino),   namun   jumlahnya   dapat   diabaikan.   Kedua   ikatan   ini   merupakan   reaksi   longgar   dan   reversibel. 60-70% total CO2. Ion HCO3 terbentuk dalam eritrosit melalui reaksi: CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

3.      Ion HCO3 

Setelah melepas O2, Hb dapat langsung mengikat CO2 dan mengangkutnya dari paru untuk dihembuskan keluar. CO2 bereaksi   dengan   gugus   α-amino   terminal   hemoglobin,   membentuk   karbamat   dan   melepas   proton   yang   turut menimbulkan efek Bohr. Konversi ini mendorong pembentukan jembatan garam antara rantai α dan β, sebagai ciri khas status deoksi. Pada paru, oksigenasi Hb disertai ekspulsi, kemudian ekspirasi CO2.