Ihmisen hengityselimistö — toiminta, kaasujenvaihto ja soluhengitys

Ihmisen hengityselimistö: selkeä opas hengitykseen, keuhkojen toimintaan, kaasujenvaihtoon ja soluhengitykseen — miten happi otetaan ja hiilidioksidi poistuu kehosta.

Biokemiallinen prosessi, katso hengitys.

Hengityselimistö, jota kutsutaan myös kaasujenvaihtojärjestelmäksi, huolehtii siitä, että elimistöstä poistuu hiilidioksidia ja että elimistön solut saavat tarvitsemaansa happea. Tärkein elin tässä järjestelmässä on keuhkot, mutta hengityksen toimintaan osallistuvat myös nenä, nielu, kurkunpää, henkitorvi ja keuhkoputket sekä hengityslihakset kuten pallea ja kylkivälilihakset. Hengitys ja solujen hapetus koostuvat useasta erillisestä vaiheesta, jotka toimivat yhdessä.

Anatomian pääosat lyhyesti

• Nenä ja nenänontelo suodattaa, lämmittää ja kosteuttaa sisäänhengitettyä ilmaa.
• Nielu (pharynx) ja kurkunpää (larynx) ohjaavat ilman alaspäin ja suojaavat hengitysteitä nielemisen aikana.
• Henkitorvi (trachea) vie ilman keuhkoihin.
• Keuhkoputket (bronkit) ja pienemmät keuhkoputket (bronkiolit) haarautuvat yhä pienemmiksi ja johtavat ilmaa alveoleihin, keuhkorakkuloihin, joissa varsinainen kaasujenvaihto tapahtuu.
• Keuhkorakkulat (alveolit) ovat pinnaltaan laajat ja niiden ohuet seinämät mahdollistavat hapen ja hiilidioksidin diffuusion veren ja ilman välillä.

Hengityksen vaiheet

Hengityksen päävaiheet ovat:

• Inhalaatio (sisäänhengitys): ilma virtaa keuhkoihin, kun hengityslihakset (pallea ja ulommat kylkivälilihakset) laajentavat rintakehää ja keuhkojen tilavuutta. Tätä kutsutaan myös sisäänhengittämiseksi.
• Ekshalato (uloshengitys): rintakehä palautuu, keuhkojen tilavuus pienenee ja ilma virtaa ulos, mukana hiilidioksidia.
• Kaasujenvaihto keuhkoissa: alveoleissa tapahtuu diffuusio, jossa happi siirtyy ilmasta vereen ja hiilidioksidi verestä alveoleihin. Tästä osuudesta kerrotaan lisää alla.
• Soluhengitys: veren kuljettama happi siirtyy soluihin ja käytetään energian tuottamiseen; samalla syntyy soluhengityksessä hiilidioksidia, joka palautuu keuhkoihin ja poistetaan uloshengityksessä.

Kaasujenvaihto keuhkoissa

Keuhkoissa kaasujen vaihto perustuu osapaine-eroihin: hapen osapaine alveolien ilmassa on suurempi kuin keuhkovaltimon veressä, joten happi diffundoituu veriplasmasta punasolujen hemoglobiiniin. Vastaavasti veressä olevan hiilidioksidin osapaine on suurempi kuin alveolien ilmassa, joten se diffundoituu ulos keuhkoihin ja poistuu uloshengityksessä.

Osa hapesta kulkeutuu veriplasmassa liuenneena, mutta suurin osa sitoutuu hemoglobiiniin. Hemoglobiini helpottaa hapen kuljetusta ja vapauttaa happea kudoksissa, joissa osapaine on alhaisempi. Hiilidioksidi kulkee veressä kolmessa päämuodossa: liuenneena plasmassa, karbamiinina hemoglobiinissa ja suurimmaksi osaksi bikarbonaattina (HCO3−), joka muodostuu kudoksissa tapahtuvan hiilidioksidin hydrataation ja entsymaattisten reaktioiden seurauksena.

Soluhengitys: miten ravinto muuttuu energiaksi

Soluhengitys on kemiallinen prosessi, jossa orgaaniset yhdisteet (esim. glukoosi) hapetetaan ja vapautuu energiaa solujen käyttöön ATP-molekyylinä. Päävaiheet ovat:

• Glykolyysi: glukoosi pilkkoutuu kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi tuottaen pienen määrän ATP:ta ja NADH:ta.
• Sitruunahappokierto (Kreb's kierto): pyruvaatti muokataan asetyylikoentsyymi A:ksi ja hapetetaan edelleen, mikä tuottaa elektroneja (NADH, FADH2).
• Elektroninsiirtoketju ja oksidatiivinen fosforylaatio: mitokondrioissa elektronit siirtyvät ketjussa ja lopulta happi vastaanottaa ne muodostaen vettä. Tämä vaihe tuottaa suurimman osan solun ATP:sta.

Ilman riittävää happea solut voivat käyttää anaerobista glykolyysiä, joka tuottaa vähemmän ATP:ta ja lihaksissa voi syntyä maitohappoa.

Hengityksen säätely

Hengitystä säätelevät keskushermoston alueet aivorungossa (hengityskeskus) ja kemoreseptorit, jotka reagoivat veren kaasupitoisuuksien muutoksiin. Keskuskemoreseptorit aivokammioiden lähellä reagoivat erityisesti lisättyihin H+-pitoisuuksiin (matala pH), jotka liittyvät korkean hiilidioksidin pitoisuuteen. Perifeeriset kemoreseptorit (esim. kaulavaltimon ja aortan kehittyneisyyskeskukset) reagoivat veren alhaiseen happipitoisuuteen ja kohonneeseen hiilidioksidipitoisuuteen.

Nämä järjestelmät säätävät hengitystiheyttä ja syvyyttä niin, että elimistö säilyttää vakaat hapen ja hiilidioksidin pitoisuudet sekä pH-arvon.

Terveys, sairaudet ja elämäntavat

Hengityselimistöön vaikuttavat monet sairaudet ja ympäristötekijät:

• Tupakointi lisää riskiä kroonisiin keuhkosairauksiin kuten keuhkoputkentulehdukseen ja COPD:hen sekä keuhkosyöpään.
• Astma aiheuttaa bronkospasmeja ja limakalvon tulehdusta, mikä rajoittaa ilman kulkua.
• Keuhkokuume (pneumonia) on keuhkokudoksen tulehdus, joka heikentää kaasujenvaihtoa.
• Keuhkojen vajaatoiminta ja hengitysvajaus voivat johtaa hapenpuutteeseen kudoksissa ja vaativat hoitoa, kuten hapen antamista tai mekaanista ventilointia.

Yhteenveto

Hengityselimistö mahdollistaa hapen saamisen ja hiilidioksidin poistamisen kehosta. Prosessi sisältää ilman kuljettamisen keuhkoihin, kaasujenvaihdon alveoleissa, hapen kuljetuksen veressä ja soluhengityksen, jossa ravintoaineista tuotetaan energiaa. Hengityksen säätely takaa, että kaasujen pitoisuudet ja elimistön pH pysyvät sopivina. Hyvä hengitysterveys tukee koko elimistön toimintaa ja kannustaa ehkäisemään haitallisia tekijöitä, kuten tupakointia.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on hengityselimistö?

K: Mitkä ovat tärkeimmät tähän prosessiin osallistuvat elimet?

K: Mikä on tämän prosessin ensimmäinen vaihe?

K: Mitä kaasujenvaihdon aikana tapahtuu?

K: Miten soluhengitys tuottaa energiaa soluille?

K: Minne soluhengityksestä peräisin oleva hiilidioksidi menee sen tuottamisen jälkeen?

Hae kirjaimella