TS6 Sunday, 05 April 2020

15.36

ALL WRITTEN BY RANA (@itsmeraney on IG, @colatash on Twitter) DON’T MONETIZE THIS NOTE. I SHARED THIS FOR FREE.

Learning objective: 1. Bagaimana difusi untuk pertukaran oksigen dan karbondioksida terjadi? (sudah) 2. Apa itu gradien tekanan parsial? 3. Apa faktor yang mempengaruhi kecepatan transfer oksigen dan karbondioksida di membran? (sudah) 4. Dalam bentuk apa saja oksigen dan karbondioksida ditransmisikan? (sudah) 5. Apa saja yang mempengaruhi afinitas oksigen dan hemoglobin? (sudah) 6. Apa itu kurva disosiasi? (sudah) 7. Apa yang terjadi pada tubuh kita pada kondisi tekanan oksigen rendah di ketinggian? (sudah) 8. Bagaimana hemoglobin mengikat dan melepaskan oksigen dan karbondioksida? (sudah)

External respiration: ventilation perfusion coupling

1. Ventilation/perfusion adalah rasio yang akan kita omongi a. Ventilation = alveolar ventilation rate = (volume tidal - dead space/ruang mati) x respiration rate = (500 ml/breath - 150 ml/breath) x 12 breaths/minute = 4200 ml/minute b. Dead space adalah volume udara yang tidak berkontribusi dalam pertukaran udara 2. Perfusion = banyaknya darah yang lewat sebuah kapiler dalam satu menit a. Perfusion = cardiac output = 5000 ml/minute 3. Rasio = ventilation/perfusion = 4000/5000 = 0.8 (V/Q) 4. Apa yang terjadi jika sebuah alveolus mempunyai ventilasi yang baik? Maka kandungan O2 yang masuk dan keluar pun semakin banyak. Apabila kandungan O2 banyak yang masuk, maka tekanan parsial O2 meningkat supaya bisa berdifusi. Oleh karena itu, tekanan parsial CO2 harus berkurang. a. Jika ventilasi meningkat, maka rasio V/Q juga meningkat. Itu adalah hal yang buruk karena rasio harus tetap di sekitar 0.8. Oleh karena itu, tubuh kita mempunyai mekanisme untuk menghindari kenaikan rasio b. Karena banyaknya kandungan oksigen, oksigen dapat mempengaruhi sel endotel untuk mensekresikan NO yang akan membuat otot polos disekitarnya relaksasi sehingga terjadi vasodilatasi c. Ketika terjadi vasodilatasi, makin banyak darah yang melewati kapiler per menit. Maka, perfusion juga meningkat 5. Jika ventilasi menurun, maka kandungan O2 yang masuk dan keluar makin sedikit. Apabila kandungan O2 sedikit yang masuk, maka tekanan parsial O2 akan menurun. Tekanan parsial CO2 akan meningkat. a. Jika oksigen sedikit, maka produksi NO oleh sel endotel akan berkurang, maka otot polos tidak akan relaksasi b. Ketika vasokonstriksi terjadi, maka makin sedikit darah yang melalui kapiler per menit. Perfusion pun berkurang c. Rasio V/Q akan tetap 0.8 6. Kondisi homeostasis ini berkebalikan dengan sistem pembuluh darah sistemik. Apabila oksigen berkurang, maka terjadi vasodilatasi pada pembuluh darah sistemik 7. Ketika berolahraga, tubuh kita akan meningkatkan cardiac output untuk memenuhi kebutuhan tubuh kita. Apabila cardiac output meningkat, maka perfusion juga meningkat a. Difusi akan oksigen kurang lebih akan sama karena kandungan oksigen di atmosfer juga kurang lebih sama b. Namun karena terjadi respirasi di atas normal, CO2 yang dihasilkan lebih banyak c. Oleh karena itu, tekanan parsial CO2 meningkat. CO2 akan mempengaruhi otot polos bronkiolus untuk relaksasi atau vasodilatasi d. Apabila otot bronkiolus relaksasi, maka resistensi bronkiolus berkurang. Jika resistensi berkurang, maka aliran udara dapat meningkat e. Jika aliran udara meningkat, makin banyak oksigen dan karbondioksida yang masuk keluar di tubuh. Maka, ventilasi pun ikut meningkat 8. Jika terdapat emboli yang ada di kapiler dan mengurangi aliran darah di kapiler, maka perfusi akan berkurang a. Difusi makin sedikit terjadi b. Tekanan parsial CO2 akan berkurang c. CO2 akan mempengaruhi otot polos bronkiolus untuk berkontaksi sehingga resistensi akan meningkat d. Ketika resistensi meningkat, aliran udara berkurang, maka ventilasi akan berkurang e. Kenapa otot polos bronkiolus berkontraksi? Supaya ventilasi tidak terbuang sia-sia, supaya oksigen lari ke jari-jari bronkiolus yang lebih besar

External respiration: thickness and surface area of respiratory membrane 1. Membran respirasi akan dilapisi oleh sel alveolar tipe 1 dan tipe 2 2. Basement membrane/membran dasar/lamina basal di antara kapiler dan alveolar 3. Keduanya dikelilingi kapiler respirasi 4. Rata-rata ketebalan membran respirasi adalah 0.5-1 mikrometer 5. Tebal tipisnya membran respirasi sangat penting dalam proses difusi

6. Apabila mempunyai membran respirasi yang tebal

a. Maka difusi gas mempunyai jarak yang lebih besar b. Ketika gas ingin berdifusi melalui gradien tekanan, maka akan mengubah kecepatan difusi c. Oleh karena itu, makin sedikit difusi yang terjadi d. Pada kasus gagal jantung kongestial di mana ventrikel kiri tidak dapat memompa darah ke seluruh tubuh, maka darah akan kembali ke sistem pulmonar. Nanti di antara kapiler dengan alveolus akan berakumulasi air i. Air akan berkumpul di alveolus yang menyebabkan edema ii. Membran respirasi akan menjadi lebih tebal sehingga pertukaran gas menjadi berkurang iii. Tekanan parsial O2 berkurang, tekanan CO2 meningkat iv. Orang ini dapat berpotensi hipoksia e. Alasan kedua adalah pneumonia i. Bakteri dan virus akan merusak sel endotel di alveolus ii. Ketika terjadi luka, maka akan terjadi vasodilatasi dan banyak cairan yang bocor dari kapiler iii. Sehingga membran respirasi makin tebal

7. Apabila membran respirasi tipis

a. Banyak terjadi difusi karena jarak untuk travelling O2 dan CO2 berkurang b. Tekanan parsial O2 meningkat, tekanan parsial CO2 menurun

8. Apabila luas permukaan meningkat

a. Banyak terjadi difusi karena luasnya permukaan dapat mengakomodasi banyaknya pertukaran gas

9. Apabila luas permukaan menurun

a. Ketika seorang merokok, maka makin banyak dihasilkannya enzim elastase oleh neutrofil. Enzim ini berfungsi untuk merusak jaringan elastik pada alveolus. Ketika jaringan elastik dirusak, maka luas permukaan alveolus akan menurun b. Kita mempunyai protease bernama alpha-1antitripsin yang akan melindungi paru-paru dari elastase dan mempertahankan keelastisitasan paru-paru c. Apabila alpha-1-antitripsin tidak dapat diproduksi karena merokok, kanker, atau genetik maka elastase akan merusak jaringan elastis alveolus d. Luas permukaan makin banyak menurunnya e. Ini terjadi pada orang dengan emfisema

External respiration: partial pressure and solubilities

1. Tekanan parsial O2 di atmosfer = 160 mmHg, kemudian pindah ke alveolus jadi berkurang ke 104 mmHg, di kapiler 40 mmHg 2. Tekanan parsial CO2 di alveolus 40 mmHg, di kapiler 45 mmHg 3. Nitrogen adalah molekul paling banyak di alveolus dan ada juga air 4. Ventrikel kanan > arteri pulmonalis. Arteri pulmonalis membawa darah miskin O2 dan kaya CO2. Maka tekanan O2 di sini rendah dan tekanan parsial CO2 tinggi 5. Molekul akan bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah melalui membran semipermeable 6. Walaupun gradien tekanan parsial oksigen jauh lebih tinggi dibanding karbondioksida, namun hal ini bukan berarti bahwa lebih banyak oksigen masuk dibanding karbondioksida keluar a. Harus diperhatikan kelarutan dari kedua molekul b. Ada hukum Henry. Kelarutan = Ka x P c. CO2 20x lebih larut dibanding O2, walaupun gradien kecil, namun jumlah yang keluar tetap sama dengan O2 yang masuk 7. Di dalam RBC, terdapat hemoglobin a. Pada orang dewasa, hemoglobinnya bernama HbA dan mempunyai dua rantai alpha dan dua rantai beta b. Di tengah-tengah HbA terdapat Fe2+ yang masing-masing berikatan dengan rantai alpha beta c. Jika CO2 berikatan dengan rantai di hemoglobin, dinamakan carboaminohemoglobin (20%), 70% akan diikat dalam bentuk HCO3- (bikarbonat), sisa 10% akan bercampur/dissolve di plasma darah d. Hb yang terikat dengan CO2 akan dinamakan deoxyhemoglobin e. Deoxyhemoglobin bisa disebut T-state di mana afinitas O2 sangat rendah sementara afinitas CO2 tinggi. Hb ini juga dapat mengikat H+ dengan asam amino yang bermuatan negatif (globin). Hb ini dapat mengikat 2,3 bifosfogliserat yang dihasilkan dari proses glikolisis, 2,3-BPG ini membantu menstabilisasi hemoglobin f. Ada konsep dinamakan positive cooperativity yang artinya oksigen pertama yang menempel pada Hb akan kesulitan, yang kedua lebih tidak sulit, yang ketiga lebih mudah, yang keempat makin mudah, dst g. Ketika Hb sudah mempunyai cukup oksigen, maka Hb tidak membutuhkan ikatan lainnya ke H+, 2,3-RGB, dan CO2. Ketika CO2 tidak dibutuhkan, maka CO2 akan dilepaskan. Setelah dilepaskan, CO2 akan berdifusi keluar kapiler h. HCO3- bermuatan negatif ingin masuk ke RBC, supaya di dalam membran tidak bermuatan negatif, maka Cl- akan keluar untuk menetralkan. Hal ini dinamakan chloride shift i. Ketika HCO3- masuk, maka H+ akan mengikat HCO3-. Hasilnya adalah H2CO3 (asam karbonat) yang tidak stabil, ia akan berubah mennjadi CO2 dan H2O. Reaksi ini bisa terjadi lambat atau cepat. Enzim yang untuk mempercepat reaksi adalah carbonic anyhydrase. CO2 yang dihasilkan kemudian pindah ke alveolus j. Hemoglobin yang sudah terikat dengan oksigen dinamakan oxyhemoglobin (R-state atau relax state). O2 loading, CO2 dan H+ unloading. Loading-unloading ini dinamakan haldane effect, yang artinya afinitas pada hemoglobin berubah sebentar.

Internal respiration

1. Kapan darah tau sampai kapan berhenti berdifusi? Sampai tekanan parsial di pembuluh darah sama dengan tekanan parsial di kapiler 2. Anggap pembuluh darah melewati sel otot dengan hemoglobin dalam keadaan R-state. Tekanan parsial di pembuluh darah untuk O2 adalah 104 mmHg, CO2 40 mmHg 3. Di sel otot tekanan parsial O2 adalah 40 mmHg, dan CO2 45 mmHg 4. CO2 dan H2O masuk ke pembuluh darah menjadi H2CO3 kemudian menjadi H+ dan HCO35. Bikarbonat harus keluar dari RBC dan Cl- masuk ke RBC 6. Apabila banyak CO2 dan H+ banyak yang menempel di Hb, maka Hb berubah bentuk sehingga O2 mempunyai afinitas yang rendah kembali 7. O2 dilepas dari Hb kemudian pergi ke jaringanjaringan 8. Pada respirasi sel, selain dihasilkan CO2 dan H2O, juga dihasilkan ATP dan panas. Seperti yang kita tahu, struktur protein akan berubah ketika terekspos oleh panas. Panas ini juga berperan dalam perubahan bentuk dari Hb dan pelepasan O2 dari Fe2+ di Hb. Hal ini dinamakan Bohr effect 9. Bohr effect maksudnya adalah afinitas O2 di Hb berkurang dan afinitas CO2, H+, 2,3-RBG bertambah. Loading CO2, H+, 2,3-RBG. Unloading O2

Oxygen-hemoglobin dissociation curve

1. Percent saturation artinya berapa oksigen yang mengikat Hb 2. Yang tengah adalah kondisi normal fisiologis a. Ketika tekanan parsial oksigen 104 mmHg di paru, maka saturasi oksigen sebesar 98% b. Di alveolus akan bergerak ke kapiler pulmonal, kemudian ke pembuluh darah, kemudian ke jaringan c. Ketika di jaringan tekanan parsial oksigen sebesar 40 mmHg, maka saturasi oksigen adalah 75% d. 98%-75% = 23% of O2 unloaded

3. Apabila olahraga

a. Tekanan parsial oksigen adalah 20 mmHg, maka saturasi oksigen adalah 30% b. 98%-30% = 68% O2 unloaded during exercise

4. Yang paling bawah adalah kondisi Bohr effect (shift right)

a. Pada tekanan parsial yang sama sebesar 40 mmHg, namun saturasi oksigen berkurang hingga sebesar 60% b. 98%-60% = 38% of O2 unloaded c. Kapan kondisi ini terjadi? Ketika banyaknya H+, CO2, 2,3-BPG, kenaikan suhu. Bohr effect, akan meningkatkan O2 disassociation

5. Yang paling atas

a. 98%-85% = 13% O2 unloaded b. Pada kondisi apa ini? Haldane effect c. Low CO2, low H+, low 2,3-BPG, low temperature d. Decrease oxygen disassociation

Regulation of breathing: respiratory centers

1. Di bagian paling atas pons, terdapat nucleus pneumotoxic center, yang akan mengontrol inspirasiekspirasi. Sinyalnya dari ekspansi paru, ketika sudah ekspansi maksimal, maka mulai ekspirasi 2. Di bagian bawah pons, terdapat nucleus apneustic center, yang bisa mempengaruhi nucleus VRG dan DRG di medulla oblongata sama seperti pneumotoxic center, namun akan terjadi long breathing 3. Di bagian medulla oblongata, juga terdapat central chemo receptors akan menerima sinyal dari perbedaan pH dari normal, contohnya ketika kenaikan CO2 4. Central chemoreceptors dapat mempengaruhi dorsal respiratory group, nucleus traktus solitarius merupakan main nucleus dari DRG 5. Ventro respiratory group terdapat 4 nukleus a. Preboteinger complex: pacemaker neurons, yang akan nge-set berapa napas per menit i. Eupnea: 12-16 breaths/minute b. Nucleus retro ambigous: inpiratory and expiratory neurons

Regulation of breathing: central and peripheral chemoreceptors 1. Hypercapnia a. Ketika CO2 dari darah pindah ke CSF melalui BBB, maka CO2 akan bergabung dengan H2O membentuk H2CO3, kemudian akan menjadi H+ dan HCO3b. Jika H+ banyak, maka H+ akan menstimulasi central chemoreceptors di medulla oblongata, kemudian central chemoreceptors akan menstimulasi DRG dan pneumotoxic center di bagian atas pons c. DRG akan mempengaruhi VRG d. Kedua DRG dan VRG akan memperbanyak frekuensi potensial aksi neuron ke n. phrenicus dan n. intercostalis e. Karena frekuensi bertambah, maka akan terjadi penambahan kecepatan respirasi dan kedalaman (ventilasi) f. Ketika ventilasi bertambah, maka makin banyak O2 masuk dan makin banyak CO2 berkurang g. Kemudian banyaknya CO2 mulai berkurang di darah

2. Hypocapnia

a. Apabila proton H+ sangat rendah, maka tidak dapat menstimulasi central chemoreceptors b. CCR tidak menstimulus, maka CCR tidak dapat menstimulus DRG dan pnemotoxic center. DRG juga tidak dapat menstimulus VRG c. Frekuensi potensial aksi ke n. phrenicus dan n. intercostalis juga menurun. Maka ventilasi juga berkurang d. Jika ventilasi berkurang, maka O2 yang masuk berkurang, dan CO2 yang keluar juga berkurang e. CO2 mulai menumpuk sehingga tidak hypocapnia lagi

3. Hipoksia a. Terdapat chemoreceptors perifer di sinus carotid dan aorta yang akan merespon tekanan parsial CO2, tekanan parsial O2, dan pH b. Apabila tekanan parsial O2 jatuh di bawah 60 mmHg c. pH dapat berubah karena kenaikan asam hasil metabolik seperti asam laktat, badan keton, dll d. Di dalam aorta dan sinus carotid terdapat dua tipe sel i. Tipe 1. Di dalam ini terdapat vesikula yang berisi dopamine. Di sini juga terdapat channel K+ terspesialisasi yang sensitif terhadap O2 dan H+ ii. Tipe 2 (sel sustentakular) e. Apabila terjadi hipoksia, maka channel K+ akan diinhibisi supaya tidak keluar. Jika banyak H+ yang masuk ke sel 1, maka channel K+ akan diinhibisi juga f. Ketika sel tipe 1 sudah terdepolarisasi, maka dopamine akan disekresikan g. Sinus carotid akan terhubung dengan CN IX, aorta akan terhubung dengan CN X h. CN IX dan CN X akan menghantarkan sinyal ke DRG. DRG akan menstimulasi VRG. Jika makin banyak dopamine yang disekresikan, maka makin banyak impuls ke DRG dan VRG. Jika makin banyak maka potensial aksi ke n. phrenicus dan n. intercostalis meningkat. Apabila keduanya meningkat, ventilasi meningkat

4. Kenaikan pH karena badan keton dan asam laktat

a. Melalui ginjal dan akan keluar melalui urin b. Selain itu, juga akan keluar melalui pernapasan mulut, maka ketika orang diabetes mulutnya akan terasa bau

Regulation of breathing: factors influencing rate and depth

1. Terdapat reseptor regang di pleura visceral dan di otot polos bronkus dan bronkiolus 2. Ketika reseptor itu terstimulasi, maka akan menghantarkan impuls melalui CN X ke pneumotoxic center dan apneustic center 3. Kedua nukleus akan menginhibisi DRG dan VRG, kemudian DRG dan VRG mengirim potensial aksi lebih kurang sehingga terjadi relaksasi dari n. phrenicus dan n. intercostalis 4. Proses ini dinamakan Hering Breurer reflex 5. Di bronkus terdapat sel pseudostratifikatum squamosum di dalamnya terdapat reseptor (subendotel). Reseptor ini sensitif terhadap partikel asing yang dapat membuat iritasi 6. Ketika reseptor tersebut aktivasi, maka impuls akan dikirim ke respiratory center di pons dan medulla oblongata melalui CN X 7. Kemudian terdapat juxtacapillary receptor di bagian parenkim alveolus yang akan terstimulus oleh adanya cairan di alveolus seperti kondisi edema dan pneumonia. Reseptor ini akan memberikan impuls ke respiratory center yang akan memberi sinyal balik ke paru-paru. Hasilnya adalah “rapid and shallow breathing” 8. Terdapat propioceptor di sel otot. Ketika berolahrga, reseptor ini terstimulasi dan mengirim sinyal ke respiratory center yang akan meningkatkan ventilasi 9. Hyperpnea adalah hasil dari respiratory center sebagai respon terhadap tubuh kita ketika berolahraga 10. Di dalam otak terdapat gyrus post-centralis, gyrus precentralis, hypothalamus, dan nucleus limbik. Apabila kita terjun ke kolam dingin, maka hypothalamus akan teraktivasi. Ketika kita marah, maka nukleus limbik akan teraktivasi. Kita kita ingin mengontrol pernapasan kita secara volunteer, maka gyrus precentralis dapat mengirim sinyal ke n. phrenicus dan n. intercostalis

Respiration during exercise

1. Dari gyrus precentralis terdapat jaras corticospinalis yang selain turun ke medulla spinalis, jaras tersebut akan mengirim sinyal ke DRG dan VRG di medulla oblongata sekaligus menstimulasi 2. Ketika DRG dan VRG terstimulasi maka akan mengirim potensial aksi ke n. phrenicus dan n. intercostalis yang akan menambah ventilasi alveolus (hyperpnea) 3. Ketika ventilasi meningkat, tekanan parsial O2 dan CO2 tidak akan berubah 4. Terdapat reseptor regang di sel otot, propioceptor itu akan mengirim sinyal ke otak. Selain ke otak, propioceptor akan menstimulasi DRG dan VRG 5. Ketika DRG dan VRG terstimulasi, maka potensial aksi makin sering terjadi sehingga muskulus inspirasi dapat berkontraksi 6. Ketika berolahraga, maka cardiac output meningkat, heart rate meningkat 7. Ketika ventrikel kanan memompa lebih banyak darah ke paru-paru 8. Perfusi di paru paling atas sangat kecil karena gravitasi, di tengah normal perfusi, paling bawah perfusi paling banyak 9. Ketika berolahraga, perfusi paru di semua bagian sama karena jantung memompa lebih keras

10.

Respiration at high altitude

1. Semakin tinggi, maka tekanan parsial oksigen di atmosfer makin rendah. Normalnya adalah 160 mmHg 2. Dalam kondisi normal, tekanan parsial oksigen di alveolus adalah 104 mmHg. Pada ketinggian, akan diasumsikan tekanan parsialnya adalah 60 mmHg 3. Tekanan parsial oksigen di kapiler pulmonal kurang lebih tetap sama. Namun karena gradien tekanan berkurang, maka oksigen yang ter-unload dari alveolus ke kapiler juga makin berkurang 4. Ketika tekanan parsial oksigen di arteri setelah melewati kapiler pulmonal = 60 mmHg, maka akan menstimulus chemoreceptor di sinus carotid dan aorta. Kemudian dari situ dikirim impuls ke DRG dan VRG, potensial aksi makin sering terjadi, kemudian kontraksi otot inspirasi makin sering terjadi 5. Setelah itu, akan terjadi hyperventilation (respiration rate and depth). Karena hyperventilation, maka tekanan parsial oksigen di alveolus meningkat 6. Ketika tekanan parsial oksigen di alveolus meningkat, maka saturasi oksigen juga meningkat dan banyaknya O2 yang ter-unload semakin banyak 7. Tekanan parsial CO2 di atmosfer pada ketinggian juga ikut menurun. Tekanan parsial CO2 di alveolus juga ikut menurun hingga 25 mmHg. Artinya, CO2 yang keluar akan meningkat karena gradien tekanan meningkat (yang tadinya 5 mmHg menjadi 15 mmHg 8. Karena CO2 berkurang di dalam darah, maka CO2 sedikit yang masuk ke CSF otak melalui BBB dan sedikit yang menstimulus central chemoreceptor 9. Prosesnya sama kayak yang sudah ditulis di atas 10. Intinya hasilnya akan slow breathe atau hypopnea 11. Hasilnya juga akan terjadi respiratory alkalosis 12. Tekanan parsial oksigen menurun > hyperventilasi > tekanan parsial CO2 menurun > gradien tekanan CO2 menurun > banyak CO2 keluar > respiratory alkalosis 13. Ketika kondisi repiratory alkalosis, maka H+ yang ada di ginjal akan dikeluarkan di pembuluh darah, kemudian HCO3- akan diekskresikan melalui urin 14. Ketika H+ disekresikan, maka pH darah menurun ke normal 15. Ketika pH kembali normal, maka central chemoreceptor lebih sering terstimulus lagi yang mengakibatkan meningkatnya ventilasi alveolus. Ketika ventilasi alveolus meningkat, maka CO2 yang keluar meningkat lagi dan O2 makin banyak masuk 16. Karena kondisi hipoksia, maka disekresikan EPO sehingga eritrosit bertambah (polyctemia) 17. Ketika eritrosit bertambah, maka perfusi juga bertambah dan V/Q ratio juga semakin stabil 18. Di jaringan tubuh, sel endotelnya akan mensekresikan vaso endothelial growth factor (VEGF) yang akan membuat pembuluh darah baru sehingga proses difusi makin efektif (angiogenesis) 19. Apabila kita berada di high altitude dalam waktu yang lama, maka tubuh kita mengalami aklimasi 20. Kondisi hipoksia ini membahayakan karena ketika terjadi vasodilatasi di otak, maka makin banyak darah yang berada di pembuluh darah otak. Jika makin banyak, maka cairan dapat keluar dan menumpuk di otak. Kondisi ini dinamakan cerebral edema