Θεματολόγιο Πνευμονολογίας

Οι μονοκυττάριοι οργανισμοί εξασφαλίζουν το αναγκαίο Ο₂ και αποβάλλουν το παραγόμενο CΟ₂ με μικροδιανομή μεταξύ του εξωτερικού και εσωτερικού τους περιβάλλοντος, που στηρίζεται στους νόμους διαχύσεως των αερίων. Με την αύξηση, όμως, του μεγέθους και της πολυπλοκότητας των οργανισμών, η τοπική μικροδιανομή των αερίων και η διάχυση δια της επιφανείας τους δεν είναι πλέον αρκετή για την ικανοποίηση των μεταβολικών τους αναγκών. Στους πολυκυττάριους οργανισμούς, παρεμβάλλονται δύο πρόσθετα, ισχυρά, συστήματα για την εξυπηρέτηση της ανταλλαγής των αερίων: Ένας εξωτερικός εναλλάκτης αερίων (πνεύμονες και υποστηρικτικά όργανα) και ένα σύστημα μακροδιανομής ( καρδιαγγειακό + αίμα και υποστηρικτικά όργανα). Με τα συστήματα αυτά εμπλουτίζεται το εσωτερικό περιβάλλον, από το οποίο τα κύτταρα ανταλλάσσουν αέρια με μηχανισμούς τοπικής διαχύσεως.

κυτταρική αναπνοή

 Τα θηλαστικά, όπως και ο άνθρωπος θα καταλήξουν εάν αποστερηθούν το οξυγόνο. Στα ανθρώπινα όντα θα προοκληθεί ανυπόστρεπτη βλάβη στον εγκέφαλο, ακόμη και μετά μικρή, μερικών λεπτών, στέρηση του οξυγόνου. Παρ΄όλο ότι μερικά κύτταρα είναι πλέον ευαίσθητα στη στέρηση οξυγόνου, παρ΄ό,τι άλλα, όλοι οι ανθρώπινοι ιστοί χρειάζονται οξυγόνο και καταλήγουν χωρίς αυτό. Το οξυγόνο χρειάζεται για την κυτταρική αναπνοή, που επίσης είναι γνωστή και ως κυτταρικός μεταβολισμός. Η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία, κατά την οποία πολύπλοκα μόρια από τις τροφές που μεταφέρουν ενέργεια όπως η γλυκόζη (C₆H₁₂O₆)και τα λιπαρά οξέα, διασπώνται σε απλούστερα μόρια, όπως το CO2 και το νερό (Η2Ο) προς παραγωγή ενέργειας της μορφής του αδενοσινοτριφωσφορικού οξέος, ΑΤΡ. Η κυτταρική αναπνοή απαιτεί διάφορα στάδια προς αποδόμηση των θρεπτικών συστατικών από τις τροφές, όπως η γλυκόζη για την παραγωγή ΑΤΡ, που είναι χρήσιμη ένωση για την απόδοση ενέργειας. Κατά τα στάδια αυτά, υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια στα μόρια της τροφής μετακινούνται συστηματικά και μεταφέρονται από τον ένα αποδέκτη ηλεκτρονίων στον άλλον. Ο τελικός αποδέκτης σε αυτή τη μακρυά σειρά μετακινήσεως ηλεκτρονίων είναι το οξυγόνο. Από τη στιγμή που το οξυγόνο προασλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο μετατρέπεται σε νερό (απώλεια ενέργειας) της κυτταρικής αναπνοής. Εάν δεν υπάρχει οξυγόνο, και δεν δεν υπάρχει διαθέσιμος αποδέκτης ηλεκτρονίων τότε όλη η προηγούμενη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων αναστέλλεται και η απραγωγή ΑΤΡ ματαιώνεται. Η απώλεια ΑΤΡ θα απολήξει στην παρεμπόδιση των κυττάρων να επιτελέσουν το έργο τους, η ζωτικότητα του κυττάρου θα μειωθεί και το κύτταρο οδεύει προς τον θάνατό του. Επομένως, μια από τις σημαντικότερες λειτουργίε ςτου αναπνευστικού συστήματος είναι η διάθεση οξυγόνου στα κύτταρα έτσι που τα τελευταία μπορούν να παράγουν ΑΤΡ κια να εκτελούν τις διάφορες λειτουργίες τους.

εικόνα 1. αδενοσινοτριφωσφορικό οξύ ή ΑΤΡ. η μορφή ενέργειας, που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για να ολοκληρώσουν τις δράδεις τους. Στο κυτταρικό έγο περιλαμμβάνονται δραστηριότητες, όπως η μεταγωγή ουσιών, η σύνθεση νέων προϊόντων μεταβολισμού, και η μυϊκή σύσπαση.

η μέτρηση του μεταβολικού ρυθμού και των απαιτήσεων οξυγόνου

Τι είναι ο μεταβολισμός; Με την έννοια 'μεταβολισμός' εννοείται ο ρυθμός μετον οποίο παράγεται ΑΤΡ, αν και υπάρχει ποικιλία δεικτών με τους οποίους αποτιμάται ο μεταβολισμός. Θεωρητικά, υπάρχει μεγάλη ποικιλία δεικτών μεταβολικού ρυθμού, όπως ο ρυθμός της καταναλώσεως οξυγόνου, ο ρυθμός της παραγωγής διοξειδίου του άνθρακος ή του νερού, κια ο ρυθμός της παραγωγής ΑΤΡ, ή, τέλος, ο ρυθμός παραγωγής θερμότητας. Όλες αυτές οι παράμετροι αποιτυπώνουν τον μεταβολικό ρυθμό και την κλυτταρική αναπνοή.

Εν τούτοις, μερικές απ΄αυτές τις δυνητικές μετρήσεις είναι περισσότερο αξιόπιστες και πρακτικότερες παρ΄ό,τι οι υπόλοιπες κι επειδή ο ρυθμός καταναλώσεως οξυγόνου είναι ευθέως ανάλογος του ρυθμού κυτταρικής αναπνοής η μέτρηση της καταναλώσεως οξυγόνου είναι ο ευχερέστερος και αξιοπιστότερος τρόπος αποτιμήσεως της κυτταρικής αναπνοής. Η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον έμμεσο προσδιορισμό της παραγωγής ενέργειας, κάτω από ποικιλία συνθηκών, στην ηρεμία ή την ελαφρά ή βαρύτερη άσκηση. Ο βασικός ρυθμός μεταβολισμού (basal metabolic rate, BMR), είναι μέτρηση του ρυθμού της καταναλώσεως ενέργειας κάτω από βασικές συνθήκες, δηλαδή ενώ ο εξεταζόμενος είναι σε ανάπαυση εγρήγορος, ή ασκείται σ΄ένα περιβάλλον γνωστών συνθηκών.

Παρ΄όλο ότι φαίνεται ότι ο ρυθμός καταναλώσεως οξυγόνου θα ήταν πολύ χαμηλός, εν τούτοις, η διατήρηση των βασικών αναγκών προϋποθέτει υψηλές καταναλώσεις ενέργειας και, επομένως, μεγάλα ποσά οξυγόνου, απαιτούνται σε καθημερινή βάση, περίπου 250 ml Ο2, ανά λπετό, που δεν μπορούν να εξασφαλιστούν παρά με την αναπνοή 20000 l αέρος ημερησίως (περιεκτικότητας 21% σε οξυγόνο). Αυτό συμβαίνει επειδή η ΒMR παριστά τις ημερήσιες ανάγκες που απαιτούνται για συγκεκριμένο διάστημα, προκειμένου να υπσοτηριχθούν κάθε είδους βασικήςή πρόσθετης δραστηριότητας, από τον εγκέφαλο, την καρδιά, τους νεφρούς, το ήπαρ, και άλλα μεταβολικά ενεργά όργανα.

Οι φυσιολόγοι έχουν αναγνωρίσει ότι τα ανθρώπινα όντα διαφέρουν ευρέως μεταξύ τους, ως προς την κατανάλωση ενέργειας, ανάλογα με τα σωματομετρικά χαρακτηριστικά τους, το φύλο τους τη θερμοκρασία του σώματος και την ενδοκρινική τους δραστηριότητα, έτσι, ώστε δύο άτομα του ίδιου φύλου, καταναλώνουν διαφορετικές ποσότητες ενέργειες, ανάλογα με το μέγεθός του σώματός τους και ο πλέον μικρόσωμο άνθρωπος καταναλώνει περισσότερη ενέργεια ανά kg βάρους σώματος, συγκριτικά με τον ογκοδέστερο, για τη διατήρηση των βασικών λειτουργιών του στους 37 °C. Ομοίως, ένας ακραία αθλούμενος εμφανίζει πολύ υψηλό βασικό μεταβολισμό συγκριτικά με άλλου, με τα ίδια σωμαστομετρικά χαρακτηριστικά και το ίδιο φύλο, που δεν αθλείται. Ως αποτέλεσμα, έχει μεγαλύτερες μεταβολικές ανάγκες και καταναλώνει περισσ΄τοερο οξυγόνο, συγκριτικά μ΄έναν που δεν αθλείται. Ακριβώς όπως κι ένανα αναπτυσσόμενο παιδί ή μια έγκυος μητέρα χρειάζεται περισσότερο οξυγόνο, που θα διατεθούν στο πρόσθετο έργο της παραγωγής νέων ιστών.

Η κατανάλωση οξυγόνου χρησιμοποιείται για την έμμεση μέτρηση του ενεργειακού κόστους των μη βασικών δραστηριοτήτων, όπως το ντύσιμο και το τρέξιμο. ΚΑτά το τρέξιμο, π.χ., μέρος της παραγόμενης ενέργειας εξακολουθεί να διατίθεται για τις μεταβολικές ανάγκες του ατόμου, ενώ ένα άλλο μέρος καταναλώνεται για να παραχθεί το πρόσθετο έργο που καταβάλλεται με το τρέξιμο. Με την τοποθέτηση μιας μάσκας ελέγχου προσλαμβανόμενου οξυγόνου, από ένα άτομο ενώ ευρίσκεται σ΄ένα εργοποδήλατο ή εργοδιάδρομο, κι ένα αναλυτή εκπνεόμενων αερίων μπορεί να ελεγχθεί το ποσόν του οξυγόνου που καταναλώνεται, και του διοξειδίου του άνθρακος που παράγεται. Οι σχετικές καταναλώσεις καταχωρήθηκαν στον επόμενο πίνακα.

 Εικόνα 1. αναλυτές αερίων για την μέτρηση της καταναλώσεως οξυγόνου.

Ως αποτέλεσμα, το οξυγόνο που απαιτείται για δεδομένο άτομο, εξαρτάται απότις διακυμάνσεις της ημερήσιας δραστηριότητας. Ένα άτομο χρειάζεται λιγότερο οξυγόνο, όταν κοιμάται, παρ΄όταν οδηγεί το αυτοκίνητό του, και τότε, πάλι λιγότερο οξυγόνο, παρ΄όταν τρέχει. Σε άλλα λήμμαυτα του παρόντος παροσυιάζονται οι τρόποι με τους οποίους το αναπνευστικό σύστημα προσαρμόζονται προκειμένου να ικανοποιήσουν τις μεταβαλόμενες ανάγκες σε οξυγόνο.

Οι διάφοροι ιστοί του οργανισμού έχουν διαφορετικές απαιτήσεις σε οξυγόνο. Το καρδιαγγειακό σύστημα ικανοποιεί τις ανάγκες αυτές, ρυθμίζοντας το ποσόν του αίματος -και άρα το ποσόν οξυγόνου- στέλνοντας μεγαλύτερες ποσότητες αίματος και άρα μεγαλύτερες ποσότητες οξυγόνου, στους ισοτύς με μεγαλύτερη μεταβολική δραστηριότητα. ΟΙ ιστοί αυτοί, με μεγαλύτερες μεταβολικές απαιτ΄ξησεις είναι και οι πλέον ευαίσθητοι στην ανεπάρκεια οξυγόνου, όπως ο εγκέφαλος.

Στον ανθρώπινο οργανισμό, οι μυϊκοί ιστοί υφίστανται παροδική ανεπάρκεια σε οξυγόνο, όταν τελούν υπό μεγάλη μυϊκή δραστηριότητα λόγω της παρουσίας αναερόβιας μεταβολικής δραστηριότητας, φάση η οποία ονομάζεται "παραγωγή γαλακτικού οξέος". ¨οταν οι απαιτήσεις για ΑΤΡ υπερβαίνουν τις δυνατότητες του οργανισμού να παρέχει αντίστοιχες ποσότητες οξυγόνου προς επιτέλεση αερόβιου μεταβολισμού, στους σκελετικούς μύες, το επιπλέον ΑΤΡ που χρειάζεται για την επιτέλεση του μυϊκού έργου,  προσφέρεται από τον μεταβολισμό του γαλακτικού οξέος. Η συμπληρωματική αναερόβια παραγωγή ΑΤΡ δεν είναι άμοιρη πρόσθετου κόστους, εν τούτοις, καθώς ένα παραπροϊόν της αλληλουχίας αντιδράσεων για την παραγωγή της το γαλακτικό οξύ, προκαλεί μυϊκό πόνο και προαγγέλλει την μυϊκή κόπωση. βλέπε: ουδός γαλακτικού οξέος.