Struktur dan MekanismePernapasan pada Manusia

Yulita Hera (102011132)

Fakultas kedokteranUniversitas Kristen Krida WacanaJln. Terusan Arjuna No. 6 Jakarta Barat 11510Tlp. 021- 56942061 Fax . 021-5631731E_mail : yulitahera@yahoo.com

Skenario 5Seorang anak berusia 10 tahun datang berobat dengan keluhan batuk, serak, dan sakit saat menelan, setelah dilakukan pemeriksaan, anak tersebut didiagnosa menderita radang pada pharynx (pharyngitis).Istilah yang tidak diketahui Pharyngitis : peradangan pada pharynx

Pendahuluan Respirasi adalah keseluruhan proses yang melaksanakan pemindahan pasif O2 dari atmosfer ke jaringan untuk menunjang metabolisme sel, serta pemindahan pasif terus-menerus CO2 yang dihasilkan oleh metabolisme dari jaringan ke atmosfer. Sistem pernapasan berperan dalam homeostasis dengan mempertukarkan O2 dan CO2 antara atmosfer dan darah. Darah mengangkut O2 dan CO2 antara sistem pernapasan dan jaringan. Fungsi utama respirasi (pernapasan) adalah memperoleh O2 untuk digunakan sel tubuh dan untuk mengeluarkan CO2 yang diproduksi oleh sel.1 Pertukaran gas dari udara ke paru, diperantarai oleh saluran pernapasan yang dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu saluran pernapasan bagian atas atau jalan napas dan saluran pernapasan bagian bawah.Berdasarkan skenario yang didapat, yaitu mengenai seorang anak dengan keluhan batuk, serak dan sakit saat menelan, maka pada makalah ini akan dibahas mengenai struktur sistem respiratorius bagian konduksi serta mekanisme pernapasan.

Isi dan PembahasanStruktur MakroskopisSistem respiratorius dibagi menjadi 2 bagian yaitu bagian konduksi dan bagian respirasi. Bagian konduksi adalah saluran nafas yang menghantarkan udara dari luar ke dalam paru untuk respirasi. Sedangkan bagian respirasi adalah saluran nafas di dalam paru tempat berlangsungnya respirasi atau pertukaran gas. Bagian konduksi sistem pernafasan terdiri atas rongga hidung, faring, laring, trakea, bronki ekstrapulmonal dan intrapulmonal dengan diameter yang semakin kecil dan berakhir pada bronkioli terminalis.2Struktur yang membentuk sistem pernapasan dapat dibedakan menjadi struktur utama (principal structure), dan struktur pelengkap (accessory structure).Yang termasuk struktur utama sistem pernapasan adalah saluran udara pernapasan. Saluran udara pernapasan dibagi menjadi dua, yaitu: A.) saluran udara pernapasan bagian atas (upper respiratory tract)jalan napas. Yang disebut sebagai jalan napas adalah (1) nares, hidung bagian luar (external nose), (2) hidung bagian dalam (internal nose), (3) sinus paranasal, (4) faring, (5) laring. Yang merupakan cakupan bidang Telinga Hidung Tenggorokan (THT) dan tidak dibahas di dalam pulmonologi tetapi dapat saja terkait jika membicarakan respirologi. B.) saluran udara pernapasan bagian bawah (lower respiratory tract) atau saluran napas yang mencangkup trakea, bronki dan bronkioli (keduanya dibahas dalam pulmonologi). Batas saluran udara pernapasan bagian atas dan saluran udara pernapasan bagian bawah adalah pinggir bawah kartilago krikoidea. Saluran udara pernapasan bagian bawah dimulai dari ujung trakea (pinggir bawah kartilago krikoidea) sampai bronkiolus terminalis.

Struktur Sistem Respiratorius Bagian Konduksi1. Hidung (Nasal) dan Rongga hidung (kavum nasi) Hidung eksternal, berbentuk piramid disertai dengan suatu akar dan dasar. Bagian ini tersusun dari kerangka kerja tulang, kartilago hialin, dan jaringan fibroareolar. Septum nasal, sepertiga anterior rongga hidung, membagi hidung menjadi sisi kiri dan sisi kanan rongga nasal. Bagian anterior dari septum adalah kartilago. Ostium nasalis interna merupakan bagian yang paling sempit di rongga hidung. Udara yang dihirup melalui ostium ini mendapat tahanan lima puluh persen lebih tinggi dibandingkan jika dihirup melalui mulut. Nares (nostril) eksternal, dibatasi oleh kartilago nasal. Kartilago nasal lateral terletak di bawah jembatan hidung. Ala besar dan ala kecil kartilago nasal mengelilingi nostril. Tulang hidung, tulang ini membentuk jembatan dan bagian superior kedua sisi hidung. Vomer dan lempeng perpendicular tulang etmoid membentuk bagian posterior septum nasal. Lantai rongga nasal adalah palatum keras yang terbentuk dari tulang maksila dan palatinum. Langit-langit rongga nasal pada sisi medial terbentuk dari lempeng kribriform tulang ethmoid, pada sisi anterior dari tulang frontal dan nasal, dan pada sisi posterior dari tulang sphenoid. Terdapat juga konka superior, medial, dan inferior yang menonjol pada sisi medial dinding lateral rongga nasal. Dibawahnya ada meatus superior, medial, dan inferior yang merupakan jalan udara rongga nasal. Sinus paranasalis, terdiri dari empat pasang, yaitu frontal, ethmoid, maksilar, dan sphenoid. Sinus ini berupa kantong tertutup yang dilapisi membran mukosa. Sinus ini berfungsi untuk meringankan tulang kranial, memberi area permukaan tambahan pada saluran nasal untuk menghangatkan dan melembabkan udara yang masuk serta memproduksi mukus, menambah resonansi suara, dan mengubah ukuran dan bentuk wajah setelah pubertas. Membran mukosa nasal, kulit pada bagian eksternal permukaan hidung yang mengandung folikel rambut, keringat, dan kelenjar sebasea, merentang sampai vestibula yang terletak di dalam nostril. Kulit di bagian dalam ini mengandung rambut (vibrissae) yang berfungsi untuk menyaring partikel udara yang terhisap. Fungsi membran mukosa nasal secara umum adalah untuk menyaring partikel kecil, penghangatan, dan pelembaban udara yang masuk.

Gambar 1. Struktur anatomi nasal2. Faring, berbentuk tabung muskular yang merentang dari bagian dasar tulang tengkorak sampai esofagus. Palatum molle membagi faring menjadi dua bagian, yaitu regio nasofaring dan regio orofaring. Faring terdiri dari tiga regio, yaitu:

Gambar 2. Struktur anatomi faring Nasofaring, merupakan bagian posterior rongga nasal yang membuka ke arah rongga nasal melalui dua naris internal (koana), terdapat jaringan limfoid yang membentuk lingkaran; adenoid termasuk di dalamnya. Dua tuba eustachius (auditorik) menghubungkan nasofaring dengan telinga tengah. Tuba ini berfungsi untuk menyetarakan tekanan udara pada kedua sisi gendang telinga. Orofaring, dipisahkan dari nasofaring oleh palatum lunak muskular, suatu perpanjangan palatum keras tulang. Perbatasan rongga mulut dengan orofaring terdapat tonsil. Laringofaring, faring ini mengelilingi mulut esofagus dan laring, yang merupakan gerbang untuk sistem respiratorik selanjutnya. 3. Laring (kotak suara), penghubung faring dengan trakea. Laring merupakan tabung pendek berbentuk seperti kotak triangular, yang terdiri atas tiga kartilago berpasangan dan tiga kartilago tidak berpasangan (berfungsi sebagai penopang), pita suara, otot dan ligamentum; semuanya bekerja sama untuk menjaga agar jalan napas terbuka selama bernapas dan menutup ketika sedang menelan. Kartilago berpasangan Kartilago tiroid (jakun), terletak di bagian proksimal kelenjar tiroid. Pada laki-laki ukurannya lebih besar dan lebih menonjol akibat hormon yang disekresi saat pubertas. Kartilago krikoid, cincin anterior yang lebih kecil dan lebih tebal, terletak di bawah kartilago tiroid. Epiglotis, katup kartilago elastis yang melekat pada tepian anterior kartilago tiroid. Saat menelan, epiglottis secara otomatis menutupi mulut laring untuk mencegah masuknya makanan dan cairan.Gambar 3. Struktur anatomi laring Kartilago tidak berpasangan Kartilago aritenoid, terletak di atas dan di kedua sisi kartilago krikoid. Kartilago ini melekat pada pita suara sejati. Kartilago kornikulata, melekat pada bagian ujung kartilago aritenoid. Kartilago kuneiform, berupa batang-batang kecil yang membantu menopang jaringan lunak. 4. Trakea (pipa udara) dan bronkus, tuba yang terletak di atas permukaan anterior esofagus. Tuba ini merentang dari laring pada area vertebra serviks keenam sampai area vertebra toraks kelima tempatnya membelah menjadi dua bronkus, yaitu bronkus dekstra dan bronkus sinistra. Bronkus akan bercabang menjadi bronkiolus. Bronkiolus dibedakan menjadi dua, yaitu bronkiolus terminalis dan brinkiolus respiratorik. Bronkiolus bercabang lagi menjadi alveolus.3 Trakea dan bronkus besar adalah tabung yang cukup kaku tak berotot yang dikelilingi oleh serangkaian cincin tulang rawan yang mencegah saluran ini menyempit. Bronkiolus yang lebih kecil tidak memiliki tulang rawan. Dinding saluran ini mengandung otot polos yang disarafi oleh sistem saraf otonom dan peka terhadap hormon dan bahan kimia lokal tertentu. Faktor-faktor ini mengatur jumlah udara yang mengalir dari atmosfer ke setiap kelompok alveolus, dengan mengubah derajat kontraksi otot bronkiolus sehingga mengubah kaliber saluran terminal.1Struktur Pelengkap Sistem PernapasanYang digolongkan ke dalam struktur pelengkap sistem pernapasan adalah struktur penunjang yang diperlukan untuk bekerjanya sistem pernapasan itu sendiri. Struktur pelengkap tersebut:1. Dinding Dada atau Dinding ToraksDinding toraks dibentuk oleh tulang iga, otot, serta kulit.Tulang Pembentuk Rongga DadaTulang yang membentuk dinding toraks: tulang iga (12 buah) vertebra torakalis (12 buah) sternum (1 buah) klavikula (2 buah) dan skapula (2 buah)2. Muskulus Respiratoriusa. Otot Pembatas Rongga Dada, terdiri dari:Otot ekstremitas superior: Muskulus pektoralis mayor Muskulus pektoralis minor Muskulus serratus anterior Muskulus subklaviusOtot anterolateral abdominal: Muskulus abdominal oblikus ekstemus Muskulus rektus abdominisOtot toraks intrinsik: Muskulus interkostalis eksterna Muskulus interkostalis interna Muskulus sternalis Muskulus toraksis transversusb. Otot PernapasanSelain sebagai pembentuk dinding dada, otot skelet juga berfungsi sebagai otot pernapasan. Menurut kegunaannya, otot-otot pernapasan dibedakan menjadi otot untuk inspirasi, mencakup otot inspirasi utama dan tambahan, serta otot untuk ekspirasi tambahan.Otot inspirasi utama (principal), yaitu: Muskulus interkostalis eksterna, Muskulus interkartilaginus parasternal, dan Otot diafragma.Otot inspirasi tambahan (accessory respiratory muscle) yang sering juga disebut sebagai otot bantu napas, yaitu: Muskulus sternokleidomastoideus Muskulus skalenus anterior Muskulus skalenus medius Muskulus skalenus posteriorSaat napas biasa (quiet breathing), untuk ekspirasi tidak diperlukan kegiatan otot, cukup dengan daya elastis paru saja udara di dalam paru akan keluar saat ekspirasi. Namun, ketika ada serangan asma, sering diperlukan active breathing; dalam keadaan ini, untuk ekspirasi diperlukan kontribusi kerja otot-otot berikut. Muskulus interkostalis interna Muskulus interkartilaginus parasternal Muskulus rektus abdominis Muskulus oblikus abdominis eksternusOtot-otot untuk ekspirasi juga berperan untuk mengatur pernapasan saat berbicara, menyanyi, batuk, bersin, dan untuk mengedan saat buang air besar serta saat bersalin.3. DiafragmaDiafragma adalah suatu septum berupa jaringan muskulotendineus yang memisahkan rongga toraks dengan rongga abdomen. Dengan demikian, diafragma menjadi dasar dari rongga toraks. Ada tiga apertura pada diafragma, yaitu: hiatus aortikus yang dilalui oleh aorta desenden, vena azigos dan duktus torasikus; hiatus esofageus yang dilalui oleh esofagus; apertura yang satu lagi dilalui oleh vena kava inferior.4. PleuraPleura dibentuk oleh jaringan yang berasal dari mesodermal. Pembungkus ini dapat dibedakan menjadi: Pleura viseralis yang melapisi paru dan Pleura parietalis yang melapisi dinding dalam hemitoraks.Di antara kedua pleura tadi, terbentuk ruang yang disebut "rongga" pleura yang sebenarnya tidak berupa rongga tetapi merupakan ruang potensial. Pada keadaan normal, "rongga" pleura berisi cairan pleura dalam jumlah yang sangat sedikit(0,1-0,2 mL/kg.BB)jadi hanya berupa lapisan cairan pleura (film) setebal 10-20 nm yang menyelaputi kedua belah pleura. Meskipun sangat tipis, cairan ini telah dapat memisahkan lapisan pleura viseralis dengan pleura parietalis agar tidak saling bersinggungan atau berlengketan.3Struktur Mikroskopis Pada dasarnya dinding saluran napas terdiri atas tunika mukosa, lamina propria, tunika muskularis, dan kerangka tulang rawan. Makin kecil saluran napas itu, makin tipis dindingnya. Hanya sampai bronkus, kerangka tulang rawan terlihat, namun sampai yang kecil pun masih dilengkapi dengan otot polos dan epitel bersilia dan sel goblet. Sel goblet berguna untuk mensekresi mucus pada saluran pernapasan. Saluran udara yang paling kecil tidak lagi mengandung sel goblet. Hanya alveolus paru yang dilapisi epitel selapis gepeng.4Bagian konduksi sistem pernafasan ditunjang oleh tulang rawan hialin. Trakea dilingkari oleh cincin-cincin tulang rawan hialin berbentuk C. Setelah bercabang menjadi bronki yang kemudian memasuki paru, cincin hialin diganti oleh lempeng-lempeng tulang rawan hialin. Saat diameter bronkiolus mengecil, semua lempeng hialin menghilang dari saluran pernafasan bagian konduksi. Bagian konduksi saluran nafas yang terkecil adalah bronkiolus terminalis.5Mukosa trakea dilapisi oleh epitel bertingkat silindris bersilia bersel goblet. Dalam lamina propria terdapat kelenjar campur. Bagian trachea yang mengandung tulang rawan disebut pars kertilaginea trachea. Celah pada huruf C ini ditutup oleh jaringan ikat dengan kerangka jaringan otot polos. Bagian ini disebut pars membranasea trachea. Di sekeliling trachea, meliputi bagian luar trachea baik pars kartilaginea maupun pars membranasea terdapat selubung jaringan ikat jarang yang disebut tunika adventisia.Bronkus intrapulmonal memiliki mukosa saluran napas yang tidak rata, berkelok-kelok dan dilapisi epitel bertingkat silindris bersilia bersel goblet. Dalam lamina propria terdapat berkas otot polos yang tersusun melingkar. Di bawah lapisan otot polos dapat ditemukan penggalan tulang hialin. Di antara penggalan tulang rawan tersebut, di bawah berkas otot polos, terlihat kelenjar campur. Permukaan luar dindingnya yaitu tunika adventisia merupakan jaringan ikat jarang.Mukosa pada bronkiolus juga sering tampak bergelombang. Pada bronkiolus yang besar, epitelnya selapis torak bersilia bersel goblet. Sementara pada bronkiolus yang kecil, epitelnya lebih rendah, epitel selapis kubis tak bersilia. Perubahan jenis epitel itu terjadi berangsur-angsur, semakin ke arah distal, dari bronkiolus besar ke bronkiolus kecil, epitel makin rendah, terlihat epitel tak bersilia. Sel goblet makin jarang, sampai akhirnya tak ditemukan lagi pada daerah yang epitelnya selapis kubis tak bersilia. Dalam lamina propria tidak lagi terdapat kelenjar maupun penggalan tulang rawan. Berkas serat otot polos pun semakin ke distal semakin tipis, sehingga sulit dikenali. Bronkiolus yang paling kecil akan menyalurkan udara ke dalam suatu lobulus disebut bronkiolus terminalis yang menyalurkan udara pernapasan ke asinus, yaitu suatu unit struktural paru.4 Pada bronkioli terminalis juga terdapat sel kuboid tanpa silia yang disebut sel clara.5 Bronkiolus terminalis hanya dapat dipelajari pada bronkiolus yang terpotong memanjang karena pendeknya saluran ini.4Bagian superior atau atap rongga hidung mengandung epitel yang yang sangat khusus untuk mendeteksi dan meneruskan bebauan. Epitel ini adalah epitel olfaktoris yang terdiri atas tiga jenis sel, yaitu sel penyokong (sustentakular), sel basal, dan sel olfaktoris. Sel olfaktoris adalah neuron bipolar sensoris yang berakhir pada permukaan epitel olfaktori sebagai bulbus olfaktoris kecil. Di dalam jaringan ikat di bawah epitel olfaktoris terdapat N. olfaktoris (gabungan akson tak bermielin dan akson reseptor lain pada lamina propria) dan kelenjar olfaktoris. Sel olfaktorius terletak diantara sel basal dan sel penyokong. Sel sustentakuler atau sel penyokong merupakan sel silindris dengan inti lonjong dan ada granula kuning kecoklatan pada sitoplasmanya. Sel basa berbentuk segitiga dengan inti lonjong, merupakan sel cadangan yang membentuk sel penyokong dan menjadi sel olfaktorius.Gambar 4. Epitel olfaktoriusMukosa olfaktoris terdapat pada permukaan konka superior, yaitu salah satu sekat bertulang dalam rongga hidung. Epitel respirasi di dalam rongga hidung adalah epitel bertingkat semu silindris bersilia dan bersel goblet. Epitel olfaktoris dikhususkan untuk menerima rangsang tbau yang terdiri dari epitel bertingkat semu silindris tinggi tanpa sel goblet. Epitel olfaktorius terdapat di atap rongga hidung, pada kedua sisi septum, dan di dalam konka nasal superior. Di bawah lamina propia terdapat kelenjar Bowman yang menghasilkan sekret serosa, berbeda dengan sekret campur mukosa dan serosa yang dihasilkan kelenjar di bagian lain rongga hidung.Faring adalah ruangan di belakang kavum nasi, yang menghubungkan traktus digestivus dan traktus respiratorius. Yang termasuk bagian dari faring adalah nasofaring, orofaring, dan laringofaring. Nasofaring tersusun dari epitel bertingkat torak bersilia bersel goblet. Orofaring terdiri dari epitel berlapis gepeng tanpa lapisan tanduk, sedangkan pada laringofaring epitelnya bervariasi, sebagian besar epitel berlapis gepeng tanpa lapisan tanduk.Laring terdiri dari epitel bertingkat torak bersilia bersel goblet kecuali ujung plika vokalis berlapis gepeng. Dindingnya tersusun dari tulang rawan hialin, tulang rawan elastis, jaringan ikat, otot bercorak, dan kelenjar campur.5Epiglotis adalah bagian superior laring, terjulur ke atas dari dinding anterior laring berupa lembaran pipih. Tulang yang membentuk kerangka epiglotis adalah sepotong tulang rawan elastin yang terletak di tengah. Permukaan lingual (anterior) dilapisi epitel berlapis gepeng tanpa lapisan tanduk. Lamina propia dibawahnya menyatu dengan perikondrium tulang rawan epiglotis. Sedangkan pada permukaan posterior yang menghadap ke arah laring (permukaan laryngeal) terdiri dari epitel bertingkat torak bersilia bersel goblet. Dalam lamina propria kedua permukaan tersebut tedapat kelenjar campir. 4,5

Mekanisme PernapasanUdara cenderung mengalir dari daerah dengan tekanan tinggi ke daerah dengan tekanan rendah, yaitu menuruni gradien tekanan. Maka hal ini yang menyebabkan udara mengalir masuk dan keluar paru selama tindakan bernapas. Terdapat 3 tekanan yang berperan penting dalam ventilasi:a. Tekanan atmosfer (barometrik): Tekanan yang ditimbulkan oleh berat udara di atmosfer udara pada benda di permukaan bumi. 760 mmHg adalah tekanan pada ketinggian permukaan laut. b. Tekanan intra-alveolus (tekanan intraparu): Tekanan di dalam alveolus. Udara dengan cepat mengalir menuruni gradien tekanannya setiap tekanan intra-alveolus berbeda dari tekanan atmosfer, udara akan terus mengalir hingga tekanan seimbang (ekuilibrium). c. Tekanan intrapleura: Tekanan di dalam kantung pleura. Tekanan ini juga dikenal sebagai tekanan intrathoraks yaitu tekanan yang ditimbulkan di luar paru di dalam rongga thoraks. Tekanan intrapleura ini biasanya lebih rendah daripada tekanan atmosfer yaitu 756 mmHg saat istirahat. Rongga thoraks lebih besar daripada paru yang tidak teregang karena dinding thoraks tumbuh lebih cepat daripada paru sewaktu perkembangan. Terdapat 2 gaya yang berguna untuk menahan dinding thoraks dan paru saling berdekatan, juga meregangkan paru untuk mengisi rongga thoraks yang lebih besar, yaitu 1. Daya kohesif cairan intrapleura Molekul air dalam cairan intrapleura menahan tarikan yang memisahkan mereka karena molekul ini bersifat polar dan saling tarik. Daya rekat yang terbentuk di cairan intrapleura cenderung menahan kedua permukaan pleura menyatu. Karena itu, cairan intrapleura dapat dianggap sebagai lem antara bagian dalam dinding thoraks dan paru.2. Gradien tekanan transmural (trans: melintasi, mural: dinding)Tekanan intra-alveolus lebih rendah dari tekanan atmosfer sehingga tekanan yang menekan dinding paru lebih besar daripada tekanan yang mendorong ke dalam. Perbedaan netto tekanan ke arah luar ini disebut gradien tekanan transmural yang mendorong paru keluar, meregangkan sehingga paru selalu dipaksa mengembang untuk mengisi rongga thoraks. Tekanan intrapleura lebih rendah daripada tekanan atmosfer karena baik dinding thoraks maupun paru tidak berada pada posisi alaminya ketika keduanya saling menempel, maka keduanya secara terus-menerus berusaha untuk kembali ke posisi awal mereka. Paru yang teregang memiliki kecenderungan tertarik ke dalam menjauhi dinding thoraks sedangkan dinding thoraks yang tertekan cenderung bergerak keluar menjauhi paru. Namun gradien tekanan transmural dan daya rekat cairan intrapleura mencegah kedua struktur ini saling menjauh kecuali untuk jarak yang sangat kecil. Penurunan kecil tekanan intrapleura di bawah tekanan atmosfer juga disebabkan oleh pengembangan ruang vakum kecil yang tidak ditempati oleh cairan intrapleura yang berada di rongga pleura.Tekanan intra-alveolus dapat diubah dengan mengubah volume paru. Oleh karena itu, ekspansi paru tidak disebabkan oleh udara masuk ke dalam paru, tetapi karena turunnya tekanan intra-alveolus. Hukum Boyle mengatakan bahwa pada suhu konstan, tekanan yang ditimbulkan oleh suatu gas berbanding terbalik dengan volume gas. Maka saat volume gas dalam paru meningkat, tekanan yang ditimbulkan oleh gas akan menurun. Perubahan volume paru disebabkan secara tidak langsung oleh aktivitas otot pernapasan. Otot-otot tersebut mengubah volume rongga thoraks, sehingga ada perubahan yang terjadi pada volume paru karena dinding thoraks dan dinding paru berhubungan melalui daya rekan cairan intrapleura dan gradien tekanan transmural.1

Inspirasi & EkspirasiSebelum inspirasi dimulai, otot-otot pernapasan berada dalam keadaan lemas, tidak ada udara yang mengalir, dan tekanan intra-alveolus setara dengan tekanan atmosfer. Otot inspirasi utama-otot yang berkontraksi untuk melakukan inspirasi sewaktu bernapas tenang-adalah diafragma dan otot interkostal eksternal. Inspirasi merupakan proses aktif. Kontraksi otot-otot inspirasi akan meningkatkan volume intratorakal. Otot inspirasi utama adalah diafragma, suatu lembaran otot rangka yang membentuk lantai rongga thoraks dan disarafi oleh saraf frenikus. Diafragma dalam keadaan melemas berbentuk kubah yang menonjol ke atas ke dalam rongga thoraks. Ketika berkontraksi (pada stimulasi oleh saraf frenikus), diafragma turun dan memperbesar volume rongga thoraks dengan meningkatkan ukuran vertikal (atas ke bawah). Dinding abdomen, jika melemas, menonjol keluar sewaktu inspirasi karena diafragma yang turun akan menekan isi abdomen ke bawah dan ke depan. 75% pembesaran rongga thoraks dilakukan oleh kontraksi diafragma. Dua set otot interkostal terletak antara iga-iga (inter artinya "di antara"; kosta artinya "iga"). Otot intercostal eksternal terletak di atas otot interkostal internal. Kontraksi interkostal eksternal, yang serat-seratnya berjalan ke dan depan antara dua iga yang berdekatan, memperbesar rongga toraks dalam dimensi lateral (sisi ke sisi) dan anteroposterior (depan ke belakang). Ketika berkontraksi, interkostal eksternal mengangkat iga dan selanjutnya sternum ke atas dan ke depan, memperbesar bagian atas rongga thoraks. Saraf interkostal mengaktifkan otot-otot interkostal ini.1Pada saat kelahiran, jaringan paru dikembangkan sehingga teregang, dan pada akhir ekspirasi tenang, kecenderungan daya rekoil jaringan paru untuk menjauhi dinding dada diimbangi oleh daya rekoil dinding dada ke arah yang berlawanan. Apabila dinding dada dibuka, paru akan kolaps; dan apabila paru kehilangan elastisitasnya, dada akan mengembang menyerupai bentuk gentong (barrel shaped).6Selama pernapasan tenang, ekspirasi normalnya merupakan suatu proses pasif, karena dicapai oleh recoil elastik paru ketika otot-otot inspirasi melemas, tanpa memerlukan kontraksi otot atau pengeluran energi. Namun, pada awal ekspirasi, masih terdapat kontraksi ringan otot inspirasi. Kontraksi ini berfungsi sebagai peredam daya rekoil paru dan memperlambat ekspirasi. Sebaliknya, inspirasi selalu aktif karena ditimbulkan hanya oleh kontraksi otot inspirasi dengan menggunakan energi. Ekspirasi dapat menjadi aktif untuk mengosongkan paru secara lebih tuntas dan lebih cepat daripada yang dicapai selama pernapasan tenang, misalnya sewaktu pernapasan dalam ketika olahraga. Tekanan intra-alveolus harus lebih ditingkatkan di atas tekanan atmosfer daripada yang dicapai oleh relaksasi biasa otot inspirasi dan recoil elastik paru. Untuk menghasilkan ekspirasi paksa atau aktif tersebut, otot-otot ekspirasi harus lebih berkontraksi untuk mengurangi volume rongga thoraks dan paru. Otot ekspirasi yang paling penting adalah otot dinding abdomen. Sewaktu otot abdomen berkontraksi terjadi peningkatan tekanan intra-abdomen yang menimbulkan gaya ke atas pada diafragma, mendorongnya semakin ke atas ke dalam rongga thoraks daripada posisi lemasnya sehingga ukuran vertikal rongga thoraks menjadi semakin kecil. Otot ekspirasi lain adalah otot interkostal internal, yang kontraksinya menarik iga turun dan masuk, mendatarkan dinding dada dan semakin mengurangi ukuran rongga thoraks. Hal ini berlawanan dengan otot interkostal eksternal.Sewaktu kontraksi aktif otot ekspirasi semakin mengurangi volume rongga thoraks, volume paru juga menjadi semakin berkurang karena paru tidak harus teregang lebih banyak untuk mengisi rongga thoraks yang lebih kecil. Sementara tekanan intra-alveolus lebih meningkat sewaktu udara di paru tertampung di dalam volume yang lebih kecil. Perbedaan antara tekanan intra-alveolus dan atmosfer kini menjadi lebih besar daripada ketika ekspirasi pasif sehingga lebih banyak udara keluar menuruni gradient tekanan sebelum tercapai keseimbangan.1Pada awal inspirasi, terjadi kontraksi otot-otot abductor laring (m. cricoarytaenoideus posterior) yang akan memisahkan pita usara dan membuka glottis. Selama menelan atau sewaktu tersedak, secara refleks terjadi kontraksi otot-otot tersebut yang menutup glottis dan mencegah aspirasi makanan, cairan atau bahan muntah ke dalam paru. Otot laring dipersarafi oleh n.vagus. Secara umum, otot polos pada dinding bronkus membantu pernapasan. Selama inspirasi bronkus akan dilatasi, sebaliknya selama ekspirasi erjadi konstriksi bronkus. Dilatasi disebabkan oleh rangsan simpatis dan konstriksi oleh rangsang parasimpatis.

Volume ParuJumlah udara yang masuk ke dalam paru setiap inspirasi (atau jumlah udara yang keluar dari paru setiap ekspirasi) dinamakan volume alun napas (tidal volume/TV). Jumlah udara yang masih dapat masuk ke dalam paru pada inspirasi maksimal, setelah inspirasi biasa disebut volume cadangan inspirasi (inspiratory reserve volume/IRV). Jumlah udara yang dapat dikeluarkan secara aktif dari dalam paru melalui kontraksi otot ekpsirasi, setelah ekspirasi biasa disebut volume cadangan ekspirasi (expiratory reserve volume/ERV), dan udara yang masih tertinggal di dalam paru setelah ekspirasi maksimal disebut volume residu (residual volume/RV). Ruang di dalam saluran napas yang berisi udara yang tidak ikut serta dalam proses pertukaran gas dengan darah dalam kapiler paru disebut ruang rugi pernapasan / ruang rugi anatomik. Sementara ruang rugi alveolus adalah udara yang berada dalam alveolus namun tidak ikut serta dalam pertukaran gas.

Gambar 5. Grafik volume paruPengukuran kapasitas vital, yaitu jumlah udara terbesar yang dapat dikeluarkan dari paru setelah inspirasi maksimal, sering kali digunakan di klinik sebagai indeks fungsi paru. Nilai tersebut bermanfaat dalam memberikan informasi mengenai kekuatan otot-otot pernapasan serta beberapa aspek fungsi pernapasan lain. Pada keadaan normal, jumlah udara yang diinspirasikan selama satu menit (ventilasi paru, volume respirasi semenit) sekitar 6 L (500 ml/napas x 12 napas/ menit). Ventilasi volunter maksimal (Maximal Voluntary Ventilation/MW), atau yang dahulu disebut kapasitas pernapasan maksimum (Maximal Breathing Capasity), adalah volume gas terbesar yang dapat dimasukkan dan dikeluarkan selama 1 menit secara volunter. Pada keadaan normal, MW berkisar antara 125-170 L/menit.6 Kapasitas residual fungsional (functional residual capacity/FRC) adalah volume udara di paru pada akhir ekspirasi pasif normal, sekitar 2200 ml. Kapasitas paru total (total lung capacity/TLC) adalah volume udara maksimal yang dapat ditampung oleh paru, sekitar 5700 ml.1

Pertukaran gasBernapas secara kontinyu memasok O2 segar untuk diserap oleh darah dan mengeluakan CO2 dari darah. Darah bekerja sebagai sistem transpor untuk O2 dan CO2 antara paru dan jaringan, dengan sel jaringan mengekstraksi O2 dari darah dan mengeliminasi CO2 ke dalamnya. Pertukaran gas di tingkat kapiler paru dan kapiler jaringan berlangsung secara difusi pasif sederhana O2 dan CO2 menuruni gradien tekanan parsial (perbedaan tekanan parsial antara darah kapiler dan struktur sekitar). Tekanan parsial adalah tekanan yang ditimbulkan secara independent oleh masing-masing gas dalam suatu campuran gas. Semakin besar tekanan parsial suatu gas dalam cairan, semakin banyak gas tersebut larut. Pertukaran oksigen dan CO2 menembus kapiler paru dan kapiler sistemik akibat gradient tekanan parsial. Pertukaran ini membentuk suatu sirkulasi pernapasan. Sirkulasi ini diawali dengan inspirasi, masuknya O2 dari udara atmosfer ke dalam alveolus, menuruni gradien tekanannya. PO2 alveolus tetap relatif tinggi dan PCO2 alveolus relatif tetap rendah karena sebagian dari udara alveolus ditukar dengan udara atmosfer baru setiap kali bernapas. Sebaliknya, darah vena sistemik yang masuk ke paru relatif rendah dalam O2 dan tinggi dalam CO2 karena telah menyerahkan O2 dan menyerap CO2 di tingkat kapiler sistemik. Hal ini menciptakan gradien tekanan parsial antara udara alveolus dan darah kapiler paru yang memicu difusi pasif O2 ke dalam darah dan CO2 keluar darah sampai tekanan parsial darah dan alveolus setara. Karena itu darah yang meninggalkan paru relatif mengandung O2 tinggi dan CO2 rendah. Darah ini disalurkan ke jaringan dengan kandungan gas darah yang sama ketika darah tersebut meninggalkan paru. Tekanan parsial O2 relatif rendah dan CO2 relatif tinggi di sel jaringan yang mengonsumsi O2 dan memproduksi CO2. Akibatnya, gradien tekanan parsial untuk pertukaran gas di tingkat jaringan mendorong perpindahan pasif O2 keluar darah menuju sel untuk menunjang kebutuhan metabolik sel-sel tersebut dan juga mendorong pemindahan secara simultan CO2 ke dalam darah. Setelah mengalami keseimbangan dengan sel-sel jaringan, darah yang meninggalkan jaringan relatif mengandung O2 rendah dan CO2 yang tinggi. Darah ini kemudian kembali ke paru untuk kembali diisi oleh O2 dan dikeluarkan CO2 nya. Selain gradien tekanan parsial, kecepatan difusi dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu:1. Luas permukaanSemakin luas permukaan yang tersedia untuk pertukaran gas, maka semakin tinggi juga laju difusi gas. Dalam keadaan istirahat, sebagian dari kapiler paru biasanya tertutup, karena tekanan sirkulasi paru yang rendah, tidak dapat menjadga semua kapiler tetap terbuka. Selama olahraga, saat tekanan darah paru meningkat karena bertambahnya curah jantung, banyak dari kapiler paru yang semula tertutup mejadi terbuka. Hal ini meningkatkan luas permukaan darah yang tersedia untuk pertukaran. Pada emfisema, luas permukaan berkurang karena banyak dinding alveolus yang lenyap.2. Ketebalan sawarDengan bertambahnya ketebalan, kecepatan pemindahan gas berkurang karena gas memerlukan waktu lebih lama untuk berdifusi menembus ketebalan yang lebih besar. 3. Koefisien difusiKecepatan pemindahan gas berbanding lurus dengan koefisien difusi, suatu konstanta yang berkaitan dengan kelarutan gas tertentu dalam jaringan pari dan dengan berat molekulnya. Koefisien difusi untuk CO2 adalah 20 kali O2 karena CO2 jauh lebih mudah larut dalam jaringan tubuh dibandingan dengan O2. Maka kecepatan difusi CO2 menembus membran pernapasan 20 kali lebih cepat dibandingkan dengan O2 pada gradien tekanan parsial yang sama. Namun hal ini menjadikan kecepatan difusi O2 dan CO2 seimbang, karena gradien tekanan parsial O2 jauh lebih besar dibandingan dengan CO2.1

Transpor gasOksigen yang diserap oleh darah di paru harus diangkut ke jaringan untuk digunakan oleh sel. Sebaliknya, CO2 yang diproduksi di tingkat sel harus diangkut ke paru untuk dikeluarkan. Oksigen terdapat dalam darah dalam dua bentuk: 1. Larut secara fisik Sangat sedikit O2 yang larut secara fisik dalam cairan plasma karena O2 kurang larut dalam cairan tubuh. Semakin tinggi Po2, semakin banyak O2 yang larut. Hanya 1,5% O2 dalam darah yang larut, sisa 98,5%nya diangkut dalam ikatan dengan Hb. O2 yang berikatan dengan Hb tidak ikut membentuk Po2 darah.2. Larut secara kimiawi Hemoglobin adalah suatu molekul protein yang mengandung besi (Fe2+) dan terdapat pada eritrosit. Ketika tidak berikatan dengan O2, Hb disebut sebagai hemoglobin tereduksi / deoksihemoglobin (Hb). Ketika berikatan dengan O2 maka disebut oksihemoglobin (HbO2). Hemoglobin terdiri dari heme dan globin. Pada seorang dewasa normal, sebagian globin mengandung dua rantai polipeptida dan dua rantai . Setiap globin mengandung 4 heme. Gugus heme berikatan dengan residu histidin dari polipeptida melalui Fe2+. Jadi 1 gugus heme mengikat 1 Fe2+. Fe2+ berikatan dengan koordinasi dengan 6 buah ligan (penyumbang elektron pada atom pusat) dan satu tempat kosong Fe2+ diisi oleh molekul O2. Fe2+ dapat berikatan dengan O2 melalui ikatan yang longgar dan revesibel dengan O2. Maka 1 hemoglobin dapat mengikat 4 O2. Reaksinya: Hb + O2 Hb(O2)4Hemoglobin dianggap jenuh ketika semua Hb yang ada membawa oksigen secara maksimal. Persen saturasi hemoglobin (%Hb) adalah suatu ukuran seberapa banyak Hb yang ada berikatan dengan oksigen. Faktor terpenting yang menentukan % saturasi Hb adalah Po2 darah, yang berkaitan dengan konsentrasi O2 yang secara fisik larut dalam darah. Sesuai dengan hukum aksi massa, ketika Po2 darah meningkat, seperti pada kapiler paru, reaksi bergerak ke arah sisi kanan persamaan, meningkatkan pembentukan Hb(O2). Kurva disosiasi oksiHb adalah kurva yang menggambarkan hubungan persentase saturasi kemampuan pengangkutan O2 dan Po2. Pengikatan O2 oleh gugus heme pertama pada satu molekul Hb akan meningkatkan afinitas gugus heme kedua terhadap O2, dan oksigenasi gugus kedua lebih meningkatkan afinitas gugus ketiga, dst, sehingga afinitas Hb terhadap molekul O2 keempat berlipat kali lebih besar dibandingkan reaksi pertama. Terdapat tiga keadaan penting yang mempengaruhi kurva disosiasi oksiHb: pH, suhu dan kadar 2,3-difosfogliserat (DPG; 2,3-DPG). Peningkatan suhu atau penurunan pH menggeser kurva ke kanan. Kurva yang ke kanan menujukkan turunnya afinitas oksiHb dan peningkatan disosiasi oksiHb, dibutuhkan Po2 yang lebih tinggi agar hemoglobin dapat mengikat sejumlah tertentu O2. Sebaliknya, penurunan suhu atau peningkatan pH menggeser kurva ke kiri, dan dibutuhkan Po2 yang lebih rendah untuk mengikat sejumlah tertentu O2. Berkurangnya afinitas hemoglobin terhadap O2 saat pH darah menurun dikenal sebagai efek Bohr dan hal ini berkaitan erat dengan kenyataan bahwa hemoglobin terdeoksigenasi (deoksihemoglobin) lebih aktif mengikat H+ dibandingkan oksihemoglobin. Peningkatan kandungan CO2 darah akan menurunkan pH darah, sehingga bila Pco2 meningkat, kurva bergeser ke kanan dan P50 meningkat. Sementara 2,3 DPG akan menurunkan afinitas Hb terhadap O2.

Gambar 6. Kurva disosiasi oksiHbKelarutan CO2 dalam darah sekitar 20 kali lebih besar daripada kelarutan O2. CO2 yang berdifusi ke dalam eritrosit secara cepat dihidrasi menjadi H2CO3, karena adanya enzim anhidrase karbonat. H2CO3 akan berdisosiasi menjadi H+ dan HCO3- , selanjutnya H+ dibuffer, terutama oleh hemoglobin menjadi HHb, sementara HCO3- memasuki plasma dan Cl- masuk menggantikan HCO3- yang keluar. Hal ini disebut pergeseran klorida. Sejumlah CO2 dalam eritrosit akan bereaksi dengan gugus amino dari protein, terutama hemoglobin, membentuk senyawa karbamino. Oleh karena hemoglobin terdeoksigenasi lebih banyak mengikat H+ dibandingkan oksihemoglobin serta lebih mudah membentuk senyawa karbamino, terikatnya oksigen pada hemoglobin akan menurunkan afinitasnya terhadap CO2 (efek Haldane). Sebagai akibatnya, darah vena lebih banyak mengandung CO2 dibandingkan darah arteri.6

Pengaturan pernapasanOtot pernapasan merupakan otot rangka yang perlu dirangsang melalui persarafan agar dapat berkontrasi. Pola pernapasan spontan berirama diatur oleh pusat kontrol pernapasan di batang otak. Pusat pengaturan pernapasan volunter terletak di korteks serebri yang impulsnya disalurkan melalui traktus kortikospinalis ke motor neuron saraf pernapasan. Pusat pernapasan secara otonom terdiri atas 3 bagian: a. Pusat respirasi Terletak pada formatio retikularis medula oblongata. Pusat respirasi terdiri atas 2 kelompok neuron, yaitu kelompok respiratorik dorsal dan kelompok respiratorik ventral. Kelompok dorsal terdiri dari neuron inspiratorik yang sinyalnya ditujukan untuk otot inspirasi. Kelompok ventral terdiri dari neuron inspiratorik untuk memacu aktivitas inspirasi dengan memberikan sinyal bagi otot inspirasi tambahan, dan neuron ekspiratorik untuk mengaktifkan otot ekspirasi. Kerja kelompok ventral dikontrol oleh kelompok dorsal. Neuron ekspiratorik juga dapat menghambat kerja dari neuron inspiratorik kelompok dorsal. b. Pusat apneustikTerletak pada pons bagian bawah, berfungsi untuk mencegah neuron inspiratorik dipadamkan, sehingga dorongan inspirasi meningkat. c. Pusat pneumotaksikTerletak pada pons bagian atas, berfungsi untuk mengirim impuls ke kelompok dorsal yang memadamkan neuron inspiratorik sehingga durasi inspirasi dibatasi.1

KesimpulanMekanisme pernapasan terdiri dari transport O2 dan CO2 melalui proses difusi. Sistem pernapasan pun dibagi secara makro dan mikro yang meliputi jalannya pernapasan dari hidung sampai akhirnya ke paru-paru. Pada saluran napas, terdapat otot-otot rangka pada saluran pernapasan yang dipersarafi oleh pusat pernapasan di kortex cerebri dan batang otak. Pertukaran gas pada paru dan kapiler sistemik terjadi berdasarkan perbedaan gradien parsial. Pengangkutan O2 dan CO2 dalam darah dan jaringan terjadi secara fisika dan kimia, diseimbangkan oleh sistem buffer. Mekanisme dan fungsi pernapasan yang terganggu dapat menyebabkan gangguan pernapasan.

Daftar Pustaka1. Sherwood L. Fisiologi manusia dari sel ke sistem. Yesdelita N, Pendit BU, editor. Edisi ke 6. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC; 2012. h.496, 502-7, 524-42.2. Eroschenko VP. Atlas histologi. Edisi ke-9. Jakarta: EGC; 2003. h.231-46.3. Djojodibroto D. Respirologi. Jakarta: EGC; 2009, h.5-20.4. Gunawijaya FA, Kartawiguna E. Histologi. Jakarta: Penerbit Universitas Trisakti; 2007. h.160-6.5. Bloom, Fowcett. Buku ajar histologi. Edisi ke-12. Jakarta: EGC, 2002: 629-48.6. Ganong WF. Buku ajar fisiologi kedokteran. Widjajakusumah MD, Irawati D,Siagian M, Moeloek D, Pendit BU,editor. Edisi ke 20. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC; 2003. p.621-54.