Hengitys, säätely

määritelmä

hengityksen säätely on seurausta monimutkaisesta vuorovaikutuksesta, johon kuuluu sensorijärjestelmä, hengityksen säätelykeskus ja efektorijärjestelmä, joka suorittaa käskynsä hengitykseen osallistuville lihaksille ja elimille.

kuvaus

elimistössä solut saavat energiansa yhdistämällä happea eri ravintoaineisiin tuottaen jätetuotteena hiilidioksidia. Siksi ne tarvitsevat jatkuvaa hapensaantia ja myös hiilidioksidin poistoa. Tämä tapahtuu hengittämällä, jota kutsutaan myös hengitykseksi tai ilmanvaihdoksi, termeillä, joita fysiologit käyttävät tarkoittamaan ilman hengittämistä ja uloshengittämistä.

hengitys alkaa spontaanisti keskushermostossa ja sen suorittaa elimistön hengitysjärjestelmä. Tämän järjestelmän yleinen tarkoitus on antaa kehon hengittää happea sisältävää ilmaa ja hengittää metabolisten reaktioiden tuottamaa haitallista hiilidioksidia.

ilma sisältää komponenttikaasuna 21% happea. Ilmaa hengitetään elimistöön suun ja nenän kautta. Sen jälkeen se kulkee kurkun ja äänihuulten (kurkunpää) kautta henkitorveen (henkitorvi), joka jakautuu kahteen pääilmakäytävään, jotka johtavat oikeaan ja vasempaan keuhkoihin . Nämä kaksi käytävää jakaantuvat jälleen keuhkoissa pienempiin oksiin (keuhkoputkiin), jotka eroavat vielä pienemmiksi (keuhkoputkiin tai alveolaarisiin tiehysiin), kuten puu haarautuu ulos. Näiden ilmakäytävien päissä on pieniä keuhkorakkuloita, joita kutsutaan keuhkorakkuloiksi. Ihmisen keuhkoissa on noin 150 miljoonaa keuhkorakkulaa. Niillä on hyvin ohuet seinät , jotka vapauttavat hapen vereen ja saavat vastineeksi sen hiilidioksidia, joka sitten hengitetään ulos keuhkoista samaa reittiä, joka johtaa takaisin nenään ja suuhun.

hengitys on automaattinen prosessi, joka käynnistyy aivojen monimutkaisella alueella nimeltä aivorunko, aivojen osa, joka on yhteydessä selkäytimeen ja sen hermoihin. Aivorungossa on tahdosta riippumaton hengityskeskus. Tämä tarkoittaa sitä, että hengitys on enemmän refleksi-toimintaa kuin tahtoon perustuvaa toimintaa, eli se tapahtuu ilman, että meidän tarvitsee miettiä sitä tai päättää, että sen pitäisi tapahtua. Hengitys on itse asiassa niin voimakas refleksi, että on hyvin vaikea tahallaan lopettaa hengittämistä pitkäksi aikaa.

toiminta

aivorungon hengityskeskus säätelee hengitystä hermojen, lihasten ja erityisten sensorien eli kemoreseptorien avulla. Kemoreseptorit ovat erikoistuneita soluja, jotka voivat havaita kemiallisia aineita elimistössä ja välittää tämän tiedon keskushermostoon kuuluville hermoille ja välittää ne hengitystietarkastuskeskukseen. Tällä tavoin hengitystä seurataan ja säädetään jatkuvasti ylläpitämään valtimoveressä sopivaa pH-arvoa ja hapen osapainetta, eli sydämestä tulevaa verta, joka sisältää eniten happea kehon jakautumista varten. Hengityksen säätely on homeostaattinen säätömekanismi, eli se pyrkii ylläpitämään kehon sisäisen ympäristön vakautta negatiivisten palautemekanismien avulla. Esimerkiksi suuret hiilidioksidipitoisuudet elimistössä käynnistävät automaattisesti nopeamman ja syvemmän hengityksen, mikä puolestaan laskee hiilidioksidin määrää lisäämällä hapen saantia.

hengityksen säätelykeskus on keskeinen hengityksen säätelyalue. Se vastaanottaa tietoa kehon muista osista ja tuottaa automaattisen koordinoidun vastauksen. Vaste on reaktio, joka laukaisee hengitykseen osallistuvat ja kehon eri osissa sijaitsevat eri elimet ja lihakset toimimaan yhdessä. Se sijaitsee aivorungon alaosassa, jota kutsutaan medulla oblongataksi, selkäytimeen liittyvässä kauhan muotoisessa rakenteessa. Ydinjatke sisältää erityisiä hengittäviä hermosoluja (hermosoluja). Yksi tyyppi ovat inspiratoriset neuronit, jotka ovat aktiivisia sisäänhengityksen aikana ja inaktiivisia uloshengityksen aikana. Toinen tyyppi ovat ekspiratoriset hermosolut, jotka ovat aktiivisia uloshengityksen aikana ja inaktiivisia hengittämisen aikana. Nämä kaksi hermoryhmää synnyttävät automaattisen hengittämis-ja uloshengitysjakson. Tätä automaattista sykliä voidaan muuttaa tai jopa tilapäisesti pysäyttää riippuen hengityskeskuksen eri alkuperää olevista tiedoista, kuten keuhkoista ja hengitysteistä tulevista reflekseistä, kemoreseptoreista saaduista tiedoista ja aivojen muilta alueilta tulevista käskyistä.

suurimmat hengityskontrollikeskuksen tarvitsemaa tietoa hengityksen säätelyyn antavat keskuskemoreseptorit ovat:

• Keskuskemoreseptorit. Keskeinen kemoreseptorit sijaitsevat alareunassa neljännen kammion (alue aivorungon) ja ne reagoivat happamuutta—tai pH—selkäydinnesteen (CSF), neste, joka kylpee aivojen ja selkäytimen. Fluidin happamuutta mitataan pH: n avulla; tämä arvo on suhteessa fluidissa olevien vetyionien määrään. Kappaleen normaali pH on 7,4; tätä korkeammat arvot edustavat emäksisiä olosuhteita kehossa, mikä tarkoittaa pienempää määrää vetyioneja, ja pH-arvot alle 7,4 edustavat happamia olosuhteita, eli suurempaa määrää vetyioneja. Aivo-selkäydinnesteen happamuuden muuttuessa keskuskemoreseptoreiden hengityskeskukseen lähettämät viestit vaikuttavat siis hengitykseen.
• perifeeristen valtimoiden kemoreseptorit. On olemassa kahdenlaisia perifeerinen kemoreceptors: kaulavaltimon elinten ja aortan elimissä. Ne ovat pieniä kudospaloja, jotka sisältävät kemoreseptoreita, jotka reagoivat veren hapen ja hiilidioksidin määriin. Kaulavaltimot sijaitsevat siinä kohdassa, jossa yhteinen kaulavaltimo jakautuu kahteen kaulavaltimoon kaulan molemmin puolin. Aortan elimet sijaitsevat aortassa, kehon suurimmassa verisuonessa, joka alkaa sydämestä. Kaulavaltimon ruumiista tuleva tieto kulkeutuu yhdeksättä kallohermoa pitkin ja aortan kehosta tuleva tieto kulkeutuu kymmenettä kallohermoa pitkin hengityskonekeskukseen. Kaulavaltimon kehoista saadun tiedon uskotaan vaikuttavan hengityksen välittömään säätelyyn hengityskeskuksen toimesta.
• aivot. Hengitys voi olla myös vapaaehtoista, johon vaikuttavat aivojen muut osat, erityisesti aivokuori, se aivojen osa, jossa ajatusprosessit asuvat ja ovat vastuussa tahallisesta toiminnasta. Voimme kaikki tietoisesti hengittää syvemmin ja nopeammin (hyperventilaatio), kuten esimerkiksi ennen raskaan liikunnan aloittamista . Voimakkaat tunteet voivat johtaa myös hyperventilaatioon.
• keuhko. Keuhkoissa on erilaisia reseptoreita, jotka voivat vaikuttaa myös hengitykseen. Esimerkiksi keuhkoputkien reseptori reagoi ärsyttäviin hengitettäviin aineisiin ja aiheuttaa yskimistä, hengityksen pidättämistä ja aivastelua. Muut reseptorit, jotka sijaitsevat keuhkojen joustavissa kudoksissa ja rintakehän seinämässä, ovat herkkiä venymään. Näiden reseptorien tarkkaa roolia hengityksen säätelyssä ei täysin tunneta, mutta niiden arvellaan olevan vastuussa erilaisista reflekseistä, jotka on havaittu eläimillä tehdyissä laboratoriotutkimuksissa. Nämä ovat venytys refleksit, jotka syntyvät, kun keuhkojen ja rintakehän ovat laajentuneet, jotta estää edelleen hengittäminen. Myös, kun ilmamäärä on alhainen keuhkoissa, niin on vastakkaisia refleksejä.

saatuaan tiedon hengityskeskus tarvitsee reitin, jolla se voi lähettää viranomaisviestinsä. Tämä tapahtuu erityisillä hermoilla, joita kutsutaan efferenteiksi hermoiksi. Ne lähtevät hengitysteiden ohjauskeskuksesta ja kulkevat selkäytimen kautta palleaan ja kylkiluiden väliin sijoitettuihin lihaksiin (intercostal muscles) ja muihin niskassa sijaitseviin lihaksiin, joita käytetään hengittämiseen. Pallea on ohut, levymäinen lihas, joka sijaitsee rintaontelon alaosassa keuhkojen ja sydämen alapuolella, ja se on tärkein hengitykseen osallistuva lihas. Kun ihminen hengittää sisään, pallea supistuu ja liikkuu alaspäin, mikä venyttää onkaloa, joka sisältää keuhkot (rintakehän tai rintaontelon), kun taas rintakehän lihakset supistuvat ja laajentavat rintaonteloa, mikä johtaa siihen, että ilma täyttää keuhkot imun kautta. Kun ihminen hengittää ulos, pallea-ja välikolkalihakset rentoutuvat, mikä pienentää rintaontelon kokoa ja pakottaa ilman ulos keuhkoista. Normaalin hengityksen aikana hengittäminen on aktiivinen lihasprosessi. Uloshengitys on passiivista ja perustuu kudosten luonnolliseen elastisuuteen keuhkojen tyhjentämiseksi.

rooli ihmisen terveydessä

hengitys on elimistön olennainen toiminto, jota tarvitaan elämän ylläpitämiseksi. Jos se pysäytetään, seuraa nopeasti kuolema. Näin ollen myös hengityksen säätely on välttämätöntä, mikä tarkoittaa, että kaikki tämän toiminnon häiriöt vaikuttavat kehon hengityskykyyn, millä on seurauksia heikentymisen laajuudesta riippuen.

yleiset sairaudet ja häiriöt

Jos hapenottokyky ja hiilidioksidin poistumisnopeus eivät vastaa ensimmäisen ja toisen poistumisnopeutta, syntyy epätasapaino, joka voi aiheuttaa hengityshäiriöitä, jotka liittyvät vakaviin sairauksiin , kuten keuhkokuumeeseen (keuhkotulehdus), keuhkolaajentumaan (liiallinen ja epänormaali ilman kertyminen keuhkoihin, joka johtuu keuhkokalvojen alueen pienenemisestä), sydämen vajaatoimintaan, anemiaan (punasolujen puute veressä, mikä johtaa hapen riittämättömyyteen) ja astmaan (keuhkoputkien ahtautuminen). Seuraavat tilat ovat seurausta tällaisesta epätasapainosta:

• hypoksia. Tunnetaan myös nimellä anoxia. Se tarkoittaa ”ilman happea” ja sitä käytetään kuvaamaan tilaa, jossa elimistön soluihin ei saada riittävästi happea.

avainsanat

happamuus —viittaa yhdisteeseen, joka on hapan tai hapan. Veteen liuetessaan hapot tuottavat vetyioneja.

aivorunko —aivojen alin osa, joka yhdistyy selkäytimeen. Se on monimutkainen hermokeskus, jossa on useita hermoratoja aivojen, selkäytimen, pikkuaivojen sekä pään ja kaulan motoristen ja aistitoimintojen välillä. Se koostuu ydinkärjestä, sydämen ja hengityksen säätelystä vastaavasta osasta, keskiaivoista, jotka osallistuvat kehon perustoimintoihin, ja ponsista, josta osa aivohermoista saa alkunsa.

keuhkoputket —ilmakäytävät keuhkoissa.

keskushermosto (CNS) —ihmisellä keskushermosto koostuu aivoista, aivohermoista ja selkäytimestä.

aivo —selkäydinneste (CSF) – kirkas neste, joka sisältää pieniä määriä sokeria (glukoosia) ja proteiinia. Aivo-selkäydinneste täyttää aivot ja selkäytimen keskikanavan ja sen normaali pH on 7,4. Kaikki muutokset tästä arvosta havaitaan kemoreceptoreilla.

Kemoreseptorit —erikoistuneet solut, jotka voivat havaita kemiallisia aineita elimistössä ja välittää tiedon keskushermostoon. Havaitut aineet voivat olla ulkoisia, esimerkiksi kun yksilö haistaa tai maistaa jotakin, tai ne voivat olla sisäisiä, kuten veressä oleva happi tai hiilidioksidi.

Kallohermo —ihmisellä kallohermoja on 12. Ne ovat yhteydessä aivorunkoon ja ohjaavat periaatteessa päätä sekä auttavat säätelemään rinta-ja vatsaonteloiden elimiä.

pallea —ohut, levymäinen lihas, joka sijaitsee keuhkojen ja sydämen alapuolella rintaontelon alaosassa ja joka erottaa sen vatsasta. Pallea on hengityslihas, se päästää ilmaa sisään ja ulos keuhkoista liikkumalla ylös ja alas. Kun pallea liikkuu alaspäin, ihminen hengittää sisään. Kun pallea liikkuu ylös, henkilö hengittää ulos.

Homeostasis —kehon sisäisen ympäristön vakaus, joka saavutetaan yhdennettyjen ohjausjärjestelmien järjestelmällä, joka aktivoidaan takaisinkytkentäjärjestelmillä. Esimerkiksi aivo-selkäydinnesteen korkeat hiilidioksidipitoisuudet käynnistävät voimakkaamman ilmanvaihdon keuhkoissa, mikä puolestaan laskee hiilidioksidin määrää lisäämällä hapen saantia.

tahaton toiminta —toiminta, joka ei ole tahdon vaikutuksen tai kontrollin alaisena.

keuhkot —suuri pari hengitys—tai hengityselimiä, jotka sijaitsevat rinnassa. Keuhkot tuovat hengitysilman sisältämän hapen vereen ja poistavat verestä myrkyllistä hiilidioksidia.

metabolia —kaikkien niiden fysikaalisten ja biokemiallisten prosessien summa, joita elimistössä tapahtuu sen tuottamiseksi, mitä elämän ylläpitäminen vaatii. Tähän kuuluu ravintoaineiden muuttaminen energiaksi ja kehon energian käyttö.

perifeeriset kemoreseptorit —Kemoreseptorit, jotka eivät sijaitse aivorungossa. On olemassa kahdenlaisia: aortan elinten sijaitsee aortta, suurin valtimo kehon ja kaulavaltimon elinten sijaitsee kaulavaltimot, jotka kulkevat molemmin puolin kaulan, kuljettaa hapetettua verta aortan aivoihin.

pH-liuoksen happamuuden tai sen vetyionipitoisuuden mitta. Ihmiskehossa ratkaisu voi olla veri tai aivo-selkäydinneste. Kehon nesteiden normaali pH on 7,4.

refleksitoiminta eli kehon liike, joka on tahdosta riippumattoman toiminnan summa.

hengittäminen-ihmisillä hengitys, eli happea sisältävän ilman hengittäminen ja hiilidioksidipitoisen ilman uloshengitys. Se voi viitata myös hapen ja hiilidioksidin vaihtoon veressä. Termillä hengitys on vielä toinen merkitys biokemiassa, jossa se viittaa elimistössä tapahtuviin monimutkaisiin kemiallisiin reaktioihin, joita kutsutaan hapetusreaktioiksi, joissa kemialliset aineet siirtävät elektroneja ja muuttavat energiaa elämän ylläpitämiseen tarvittaviin muotoihin.

hengityselimet-hengitykseen osallistuvat elimet: nenä, kurkku, kurkunpää, henkitorvi, keuhkoputket ja keuhkot.

henkitorvi —henkitorvi, kuidusta ja rustosta valmistettu putki, joka yhdistää äänihuulen (kurkunpään) keuhkoputkiin.

ilmanvaihto —ilma, joka tulee ulos kehosta. Keuhkotuuletus tarkoittaa ilmanvaihtoa keuhkojen ja ympäröivän ilman välillä ja keuhkorakkuloiden ilmanvaihto tarkoittaa hapen ja hiilidioksidin vaihtoa veren kanssa.

• hypoksinen hypoksia. Tämä ehto on ominaista riittämätön hapensaanti valtimovereen ja poikkeuksellisen alhainen osapaine happea valtimoissa. Syanoosi (sinisyys ihon ja kalvot) on merkittävä oire, koska alhaisempi hemoglobiini, proteiini, joka kuljettaa happea veressä.
• pysähtynyt hypoksia. Tämä on epäonnistuminen kuljettaa happea kudoksiin ja johtuu hitaasta verenkierrosta, kuten voi tapahtua sydämen vajaatoiminta.
• aneeminen hypoksia. Aneemisessa hypoksiassa valtimoiden hapen osapaine on normaali, mutta valtimoveren happipitoisuus on normaalia pienempi.
• hyperkapnia. Tämä tarkoittaa hiilidioksidin ylimäärää.
• asidoosi. Vetyionin (happamuuden) määrän lisääntyminen veressä ja aivo-selkäydinnesteessä, mikä johtaa hengitysteiden asidoosiin. Se tapahtuu, kun keuhkot eivät tuuleta kunnolla ja johtaa liiallisiin hiilidioksidimääriin veressä. Toimimattomien kaulavaltimoiden on todettu aiheuttavan asidoosia.
• alkaloosi. Vetyionin menetys veressä ja aivo-selkäydinnesteessä, mikä johtaa hengitysteiden alkaloosiin eli liialliseen hiilidioksidin menetykseen kehosta. Emäksinen aivo-selkäydinneste estää hengityskeskuksen toiminnan.

resurssit

kirjat

Adams, Francis V. hengityshäiriöt Sourcebook. Verulam Publishing Ltd, 1999.

Albert, R. K. et al, toim. Kattava Hengityslääketiede. St. Louis: Mosby, 1999.

Murray, J. F. Respiratory Medicine. St. Louis: WB Saunders, Harcourt, 2000.

aikakausjulkaisut

Zwillich, C. W. ”the control of breathing in clinical practice.”Arkku 117 (Tammikuu 2000): 205-225.

muut

American Lung Association. 1740 Broadway New York, NY 10019. (212) 315-8700. <http://www.lungusa.org>.

Monique Laberge, Ph. D.