Dýchanie - biológia
Pod dýchanie (lat.: Respiratio) V bežnom jazyku sa pľúcna činnosť (ventilácia) chápe. V širšom zmysle sa tým však rozumie dýchanie Všetky súvisiace procesy, pretože je potrebné, aby kyslík vo vzduchu difundoval cez vnútorný povrch pľúc, aby sa preniesol do tkanív a buniek pomocou krvi, a aby sa oxid uhličitý z buniek a tkanív preniesol krvou do pľúc a nakoniec sa vydychoval.
V biológii je tento termín ešte komplexnejší: všetky procesy od absorpcie redukovateľnej látky (v aeróboch je to kyslík, O2), jej transportu do cieľových buniek, jej redukcie pomocou dýchacieho reťazca (konečný produkt v prípade aeróbneho dýchania: voda), Skladovanie čo najväčšej časti uvoľnenej energie vo forme chemicky vysokoenergetických biomolekúl (väčšinou ATP) a uvoľňovanie (výdych) oxidu uhličitého (produkt rozkladu organických látok) sa počítajú ako súčasť dýchania. V tomto zmysle ho možno formulovať všeobecne: dýchanie je oxidácia energeticky bohatej látky (reduktantu), napríklad glukózy, s redukciou vonkajšej látky prijímajúcej elektróny (oxidantu, napríklad kyslíka), pričom sa (veľká) časť energie uvoľnenej touto redoxnou reakciou chemicky ukladá syntézou vysokoenergetických molekúl.
Dýchací systém je organizovaný druhovo špecifickým spôsobom: napríklad cicavce nemôžu dýchať vodu, ryby dýchať vzduch. Dôvodom je to, že žiabrové letáky, ktoré sa šíria vodou, sa usušia na vzduchu a zlepujú sa, čím sa zastaví výmena plynov veľmi chúlostivou výmennou plochou. Na druhej strane, voda prenikajúca do alveol sa dá len ťažko vydychovať proti pôsobeniu gravitácie kvôli jej vysokej špecifickej hmotnosti v porovnaní so vzduchom a nakoniec je obsah kyslíka vo vode podstatne nižší ako v normálnom vzduchu, čo vedie k uduseniu.
Vnútorné a vonkajšie dýchanie
V biológii sa podľa anatomicko-fyziologických a biochemických aspektov vonkajšie z vnútorné Dýchanie (bunkové dýchanie) diferencované:
Vnútorné dýchanie
Kedy vnútorné dýchanie alebo Bunkové dýchanie nazývajú sa tie metabolické procesy, ktoré slúžia na energetický zisk buniek. To znamená najmä biochemické procesy dýchacieho reťazca vo vnútornej membráne mitochondrií, na konci ktorých sa syntetizuje ATP.
Vonkajšie dýchanie
Vonkajšie dýchanie sa vyskytuje iba na aeróboch, pretože anaeróby nie sú usporiadané ako mnohobunkové bunky. Rozlišujú sa nasledujúce komponenty, ktoré sa môžu vyskytnúť aj v kombinácii.
- Dýchanie pokožkou, pri ktorej dochádza k výmene plynov s vodou alebo so zemskou atmosférou po celom povrchu tela.
- Dýchanie žiabra, pri ktorom dochádza k výmene plynov s vodou prostredníctvom tenkých, prekrvených kožných výbežkov, žiabrov. Vyskytuje sa u mnohých bezstavovcov vrátane suchozemských živočíchov a u rýb.
- Tracheálne dýchanie prostredníctvom tubulárnych invaginácií kože tela. Nachádza sa v hmyze, stonožkách a niektorých pavúkoch.
- Pľúca: Z alveol do kapilár sa uvoľňuje kyslík a z kapilár do alveol sa uvoľňuje oxid uhličitý. Vyskytuje sa napríklad u slimákov dýchajúcich pľúca a u obojživelníkov, plazov, vtákov a cicavcov (vrátane ľudí).
- Výmena plynov medzi rastlinami počas fotosyntézy cez prieduchy.
- Plastronové dýchanie alebo „fyzický žiabre“.
- Distribúcia plynov do cieľových buniek v respiračnej tekutine (krv alebo lymfa), väčšinou s vektormi na transport kyslíka (hemoglobín alebo hemocyanín), čiastočne bunkovými (erytrocyty).
Výmena plynu
Výmena plynov sa uvádza iba v prípade plynných substrátov, t. J. Nie v prípade dýchania železom, dusičnanmi, fumarátmi alebo sírou.
Výmena plynov prebieha vždy predovšetkým difúziou. Toto je proces vo fyzike, v ktorom sú látky priestorovo distribuované: z oblastí s vysokou koncentráciou sa šíria do oblastí s nižšou koncentráciou, kým ideálne nebude všade prevládať rovnaká koncentrácia). Výmena cez medznú vrstvu (v biológii: membrána) vyžaduje pre tieto látky čo najviac neobmedzenú priepustnosť. Na uľahčenie výmeny je navyše nevyhnutné mať čo najväčší povrch membrány.
V mnohobunkových diferencovaných organizmoch sú za výmenu plynov často zodpovedné špeciálne orgány ako súčasť vonkajšieho dýchania.
Faktory, ktoré ovplyvňujú výmenu plynov:
- Priepustnosť membrány pre látky, ktoré sa majú vymieňať
- Plocha membrány
- Hrúbka membrány (= difúzna cesta)
- Teplota ovplyvňuje rýchlosť molekúl v látkach, ktoré sa majú vymieňať
- Rozdiel v koncentrácii v dvoch priestoroch oddelených membránou: čím väčší je rozdiel, tým rýchlejšie prebieha pasívna výmena plynov.
Aeróbne a anaeróbne dýchanie
Aeróbne dýchanie existuje iba vtedy, keď je elementárny kyslík k dispozícii v atmosfére a vo vode. Jeho vznik siaha až k prvým fotosynteticky aktívnym prokaryotom, pravdepodobne predchodcom dnešných siníc. Pred a v prostredí s nedostatkom kyslíka môže/môže dôjsť iba k anaeróbnemu dýchaniu.
Mnoho organizmov je schopných niekoľkých druhov dychu. Napríklad Escherichia coli žijú v anaeróbnych a aeróbnych podmienkach. Ostatné organizmy ovládajú iba jeden typ dýchania. Cicavce, medzi ktoré patrí aj človek, sú povinné aeróby, takže pri živote sú závislé od kyslíka.
Počas oxidácie vysokoenergetických zlúčenín (anorganické látky alebo organické látky, ako je glukóza) sa elektróny uvoľňujú vo viazanej forme. Tieto sa zvyčajne prenášajú na koncový akceptor elektrónov (dýchací reťazec) prostredníctvom zvyčajne dlhého reťazca redoxných reakcií, z ktorých sa odvádza energia na tvorbu ATP. Posledným menovaným je pri aeróbnom dýchaní kyslík; pri anaeróbnom dýchaní sa ako akceptor elektrónov vyskytujú rôzne organické a anorganické látky.
Aeróbne dýchanie
Pre aeróbne dýchanie je potrebný kyslík. Organické zlúčeniny, ako sú uhľohydráty alebo mastné kyseliny, sú spravidla oxidované a nakoniec prenesené na O2 ako koncový akceptor elektrónov v dýchacom reťazci. Ak sa ako substrát použije glukóza, aeróbne dýchanie produkuje oxid uhličitý a vodu. Redoxný potenciál E 0 'je 0,82 V. Súčet rovnice je:
$ \ mathrmO_6 + 6 \ O_2 \ longrightarrow 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O> $ Z jednej molekuly glukózy a šiestich molekúl kyslíka sa stane šesť molekúl oxidu uhličitého a šesť molekúl vody
Okrem uhľohydrátov môžu mikroorganizmy oxidovať aj anorganické látky. Napríklad, B. Acidianus ambivalens Síra v oxidácii síry podľa: [1]
Oxidácia amónia (NH4 +) bola pozorovaná v niektorých archaeách. Počas tohto aeróbneho dýchania sa amoniak oxiduje na dusitany (NO2 -):
Anaeróbne dýchanie
Pri anaeróbnom dýchaní, ktoré je prevádzkované iba prokaryotmi, sa elektróny získané oxidáciou nosiča energie prenášajú na iné vonkajšie, redukovateľné substráty namiesto kyslíka. Toto by sa nemalo zamieňať s formami fermentácie, pri ktorých sa elektróny prenášajú na konečné metabolické produkty, a preto neexistuje možnosť fosforylácie transportu elektrónov.
Rôzne anaeróbne dýchacie systémy sú klasifikované na základe „vdýchnutého“ substrátu alebo metabolických konečných produktov.
Do tabuľky bol zahrnutý iba výber typov anaeróbneho dýchania (viac v hlavnom článku):
| aeróbne dýchanie | povinné a fakultatívne aeróby (napr. eukaryoty) | O2 → H2O |
| Železné dýchanie | fakultatívne aeróby, povinné anaeróby (napr. Desulfuromonadales) | Fe 3+ → Fe 2+ |
| Dusičnanové dýchanie | fakultatívne aeróby (napr. Paracoccus denitrificans, E. coli) | NO3 - → NO2 - |
| Fumarátové dýchanie | fakultatívne aeróby (napr. Escherichia coli) | Fumarát → sukcinát |
| Síranové dýchanie | povinné anaeróby (napr. Desulfobacter latus) | SO4 2- → HS - |
| Tiosíranový dych | z. B. Ferroglobe | H2S2O3 → 2 H2S |
| Metanogenéza (uhličitanové dýchanie) | metanogénne a obligátne anaeróby (napr. Methanothrix thermophila) | CO2 → CH4 |
| Sírne dýchanie | fakultatívne aeróby a obligátne anaeróby (napr. Desulfuromonadales) | S 0 → HS - |
| Dýchanie arzeničnanu | Pyrobaculum | AsO4 2− → AsO3 - |
| Acetogenéza (uhličitanové dýchanie) | homoacetogénne a obligátne anaeróby (napr. Acetobacterium woodii) | CO2 → CH4 |
Pľúcne dýchanie stavovcov
dýchacích ciest
Pri dýchaní prúdi vzduch do tela ústami alebo nosom. Pri vdýchnutí nosom sa vzduch najskôr vyčistí, zvlhčí a zahreje pomocou chĺpkov nosa a slizníc. Dych potom putuje hltanom, cez hrtan a hlasové záhyby, do priedušnice. Priedušnica sa vetví do dvoch vetiev priedušiek, ktoré sa rozvetvujú čoraz ďalej ako bronchioly. V priedušnici je vzduch opäť čistený drobnými riasinkami. Nakoniec sa alveoly nachádzajú v pľúcach, cez ktorých tenkú membránu prechádza kyslík do krvných ciev a naopak sa z krvi do pľúc uvoľňuje oxid uhličitý.
Dýchacia mechanika cicavcov
Dve pľúca vypĺňajú spárovanú pleurálnu dutinu v hrudnej dutine, s výnimkou úzkej medzery. To sa zvyšuje narovnaním rebier (dýchanie hrudníkom) a stiahnutím svalovej bránice (brušné dýchanie). Pretože pleurálny priestor, ktorý je naplnený tekutinou, nemení svoj objem, musia pľúca nasledovať túto expanziu a naplniť vzduch dýchacími cestami. V tomto procese sa alveoly rozširujú proti povrchovému napätiu. Tekutina podobná mydlu (povrchovo aktívna látka) znižuje toto povrchové napätie, na jednej strane uvoľňuje dýchacie svaly a na druhej strane zabráni zrúteniu menších pľuzgierov. Elastické vlákna zároveň zabraňujú preťaženiu už natiahnutých bublín (nestabilitu v súvislosti s povrchovým napätím pozri Young-Laplaceova rovnica). Regulácia priemeru bronchiolov tiež prispieva k rovnomernému vetraniu rôznych častí pľúc.
Pri výdychu sa dýchacie svaly uvoľňujú a pľúca sa sťahujú. Tlak v pleurálnom priestore zostáva zvyčajne mierne negatívny. Pomocné výdychové svaly sa používajú iba na nútený výdych pri fyzickej námahe, pri hovorení, spievaní, kašľaní alebo pri sťaženom dýchaní.
Kontrola dychu u cicavcov
Dýchanie riadi mozog alebo dýchacie centrum v predĺženej mieche. Rozhodujúca je reakcia chemoreceptorov na obsah oxidu uhličitého v krvi. Ak táto prekročí určitú prahovú hodnotu, nastupuje dýchací stimul. Receptory, ktoré reagujú na hodnotu pH arteriálnej krvi a nedostatok kyslíka, majú ako respiračné stimuly druhoradý význam.
Expanzia pľúc sa zaznamenáva aj prostredníctvom citlivých vlákien vagového nervu. Ak to prekročí určitú úroveň, dýchanie je obmedzené reflexom.
Merania u ľudí
Dychová frekvencia
Priemerný počet inhalácií a výdychov za jednotku času (dychová frekvencia f) je v pokojovom stave
| Dospelých | 11-15 |
| Tínedžeri | 16-19 |
| Školské dieťa | 20 |
| malé dieťa | 25 |
| dieťa | 30 |
| Novorodenec | 40-50 |
Dychový objem
Dýchací objem u dospelého človeka je v pokoji asi 0,5 litra. [2]
Minútové vetranie
Minútový objem dýchania $ V_> $ je súčet dychových objemov $ V_> $ do jednej minúty, ktorých počet sa rovná súčinu dychovej rýchlosti f za minútu, takže:
Alebo chápané ako sadzba:
Príklad: 4200 ml/min = 12/min x 350 ml
Mŕtvy priestor
Objem mŕtveho priestoru $ V_ $ je množstvo vzduchu, ktoré nie je aktívne zapojené do výmeny plynov, tj. „Zostáva“ počas dýchania v systéme vedúcom plyn (priestor medzi ústami a alveolmi). Keď dospelý človek v pokoji dýcha asi 500 ml, mŕtvy priestor zodpovedá asi 30% celkového dychového objemu. U dospelého človeka je objem mŕtveho priestoru okolo 150 - 200 ml.
Tlak dychu
Dýchací tlak dospelých je normálne okolo 50 mbar, maximálne okolo 160 mbar.
Patologické formy dýchania
| R06 | Poruchy dýchania | |
| R06.1 | Stridor | |
| R06.2 | Ťažké dýchanie | |
| R06.3 | Periodické dýchanie | |
| R06.4 | Hyperventilácia | |
| R06.5 | Dýchanie ústami | |
| R06.6 | Singultus | |
| R06.7 | Kýchnutie | |
| R06.8 | Iné a nešpecifikované poruchy dýchania | |
| ICD-10 online (verzia WHO 2011) | ||
Poruchy dýchania (patologické formy dýchania) sú uvedené v ICD-10 Príznaky ovplyvňujúce obehový a dýchací systém kedy R06 zhrnuté. (Nasledujúce príklady slúžia spočiatku iba ako pracovný základ!)
(Známky poruchy centrálneho dýchania; dýchanie typické pre poranenie mozgu (traumatické poranenie mozgu, postihnuté: mozgový kmeň), zvýšený intrakraniálny tlak alebo meningitída)
(Známky poruchy centrálneho dýchania; dýchanie typické pre poranenie mozgu (napr. Traumatické poranenie mozgu, postihnuté: mozog))
- Hyperventilácia; exkluzívna psychogénna hyperventilácia!
- Kussmaulovo dýchanie (typické pre diabetickú ketoacidózu; to vedie k hyperventilácii)
- Dýchanie ústami, chrápanie
- Syndróm obštrukčnej spánkovej apnoe
- Dýchajte
- Lapajúc po dychu
- Čkanie; exkluzívny psychogénny singultus
- Stridor
Respiračná terapia
Klinická respiračná terapia sa zaoberá chorobami a funkčnými poruchami pľúc a hlasového aparátu.