Menjelaskan Pertukaran Gas pada Respirasi dengan singkat

Pernapasan merupakan satu proses pertukaran gas-gas respirasi yaitu oksigen dan karbondioksida.  Fungsi   utama   pernapasan   adalah   untuk   menyediakan   oksigen   untukkelangsungan proses metabolisme sel-sel tubuh dan mengeluarkan karbondioksida hasildari metabolisme tersebut. Sistem pernapasan meliputi saluran pernapasan yang berfungsidalam konduksi udara. Bermula dari rongga hidung, pharynx, larynx sehingga paru, organpertukaran gas, dan sistem sirkulasi darah yang membawa oksigen ke jaringan tubuh danmembawa karbon dioksida ke alveolus. Proses bernapas terjadi akibat dari inspirasi danekspirasi, yang diakibatkan oleh kontraksi otot-otot interkostal dan diafragma.Setelahoksigen disalurkan ke paru, akan berlakulah proses difusi dan transportasi gas tersebut kekapiler darah seterusnya ke jaringan dalam tubuh.

Setiap makhluk hidup termasuk manusia perlu bernapas untuk kelanjutan hidupnya. Dengan bernapas, manusia memperoleh oksigen yang berguna bagi tubunya dan membuang karbondioksida yang dihasilkan dari dalam tubuhnya. Sistem pernapasan sendiri terdiri dari hidung, faring, laring, trachea, bronkus, bronkiolus, bronkiolus terminalis, bronkiolus respiratorius, duktus alveolaris, dan alveoli. Secara sederhana mekanisme pernapasan merupakan proses perukaran dan transportasi O2 dan CO2.

Jalur Pernapasan

Sistem respirasi melibatkan sejumlah organ seperti hidung, mulut, faring, trachea, bronchus, dan paru. Fungsi sistem respirasi adalah memfasilitasi pertukaran gas antara atmosfer, paru-paru dan sel-sel jaringan dalam tubuh. Tiga proses dasar terlibat dalam pertukaran gas tersebut. Proses pertama ventilasi paru adalah pengaturan inspirasi dan ekspirasi udara antara atmosfer dan paru. Proses kedua respirasi eksternal (respirasi paru) adalah pertukaran oksigen dan karbondioksida antara paru dan kapiler darah paru. Proses ketiga respirasi internal (respirasi jaringan) adalah pertukaran oksigen dan karbondioksida antara kapiler darah jaringan dan sel-sel jaringan.1

Paru-paru berfungsi dalam pertukaran gas antara udara luar dan darah yaitu oksigen dari udara masuk ke darah, dan karbondioksida dari darah ke luar ke udara. Proses pertukaran gas terjadi melalui lapisan yang terdiri dari epitel alveoli, membran basalis, cairan antarsel endotel kapiler, plasma, membran sel darah merah, dan cairan intrasel darah merah. Di samping itu, terdapat selapis cairan tipis surfaktan di permukaan alveoli yang menjaga supaya alveoli tetap menggelembung. Proses pertukaran gas terjadi secara pasif, bergantung kepada selisih bagian gas yang ada di tiap kompartemen. Proses pertukaran gas terjadi dengan cara difusi.

Oksigen masuk  ke dalam sel dan dalam mitokondria digunakan untuk proses   metabolisme   yang   penting   untuk   kelangsunganhidup.sedangkan karbon dioksida (CO2) berjalan arah sebaliknya dengan oksigen.

Urutan saluran pernapasan adalah sebagai berikut:

  • Rongga hidung
  • Faring
  • laring
  • Trakea
  • Bronkus
  • Paru-paru (bronkiol dan alveolus).

  1. Hidung Adalah alat pernapasan terluar yang dilengkapi dengan dua lubang yang dibatasi sekat hidung, saraf-saraf penciuman (sel olfaktori), silia dan selaput lendir. Fungsinya, Menyesuaikan suhu udara, Melembapkan udara, Menyaring kotoran pada udara, Indra penciuman.
  2. Faring Adalah daerah dengan percabangan menuju rongga hidung, esofagus, dan trakea. Faring dilengkapi epiglotis yang dapat membuka dan menutup. Dalam keadaan biasa, epiglotis akan selalu terbuka, Ketika makanan masuk, epiglotis menutup faring sehingga makanan masuk ke dalam esofagus.

  3. Laring Adalah pangkal tenggorakan yang terdiri dari lempengan-lempengan tulang rawan. Dinding laring digerakkan otot untuk membuka dan menutup glotis yang menghubungkan faring dengan trakea. Laring dilengkapi dengan pita suara yang terletak pada jakun yang menghasilkan suara.

  4. Trakea (tenggorokan) Adalah batang tenggorokan yang tersusun atas cincin tulang rawan, terletak di depan esofagus. Trakea dilengkapi oleh silia-silia dan selaput lendir untuk mencegah udara kotor yang lolos dari saringan hidung masuk ke paru-paru.

  5. Paru-paru (pulmo) Adalah alat pernapasan yang terletak di dalam rongga dada, di kanan-kiri jantung, dan di atas diafragma. Paru-paru dilindungi oleh suatu lapisan berupa cairan limfa yang disebut pleura. Pleura di sebelah dalam disebut pleura paruparu (pleura visceralis) dan di sebelah luar disebut pleura rongga dada (pleura parietalis). Paru-paru terbagi menjadi dua bagian yaitu, Paru-paru kanan (3 lobus, 3 bronkiolus, 3 kelompok alveolus), Paru-paru kiri (2 lobus, 2 bronkiolus, 2 kelompok alveolus).

  6. Bronkus dan bronkiolus Bronkus adalah cabang trakea yang terletak di bagian dada, dan terdiri atas lempengan tulang rawan dan otot halus. Bronkus bercabang ke arah kiri dan kanan dan menuju paru-paru, yang disebut bifurkasi. Bronkus selanjutnya mengalami percabangan lagi yang disebut bronkiolus.

  7. Alveolus Bronkiolus bercabang lagi membentuk saluran yang lebih halus kemudian berakhir pada gelembung paru-paru yang disebut alveolus.Alveolus memiliki dinding yang sangat tipis dan mengandung kapiler darah. Alveolus merupakan tempat pertukaran O2 dan CO2 secara difusi.

Kelarutan Gas dalam Darah

Salah satu fungsi dari darah adalah mengangkut oksigen dari paru-paru ke jaringan dan mengankut CO2 dari jaringan ke paru-paru untuk dikeluarkan. Oksigen bereaksi secara kimia dengan hemoglobin darah, karena itu kelarutan oksigen dalam darah lebih besar dari kelarutan oksigen dalam air. Bila butir-butir darah merah dihilangkan, berarti hemoglobin juga hilang, cairan darah sisa tersebut dinamakan plasma darah. Plasma darah mengandung bermacam-macam elektrolit yang tak bereaksi dengan oksigen yang akan merendahkan kelarutan oksigen. Jadi kelarutan oksigen dalam plasma darah lebih rendah daripada dalam air. Dalam plasma darah, ada zat yang bereaksi dengan CO2 sehingga kelarutan CO2 dalam plasma lebih besar daripada kelarutan dalam air

Prinsip Kesetimbangan Dinamik pada Pertukaran Gas

Secara umum, difusi adalah peristiwa pertukaran atau perpindahan molekul dari suatu daerah yang kosentrasi molekulnya tinggi ke daerah yang kosentrasi molekulnya rendah.4 Peristiwa difusi merupakan peristiwa pasif yang tidak memerlukan energi ekstra. Peristiwa difusi yang terjadi di dalam paru adalah perpindahan molekul oksigen dari rongga alveoli melintasi membran kapiler alveolar, kemudian melintasi plasma darah, selanjutnya menembus dinding sel darah merah dan akhirnya masuk ke interior sel darah merah sampai berikatan dengan hemoglobin.

Membran kapiler alveolar sangat tipis yaitu 0,1 mikrometer atau sepertujuh puluh dari tebal butir darah merah sehingga molekul udara tidak mengalami kesulitan untuk menenbusnya. Peristiwa difusi selain oksigen adalah perpindahan molekul karbondioksida dari darah ke udara alveol. Oksigen dan karbondioksida menembus dinding alveolus dan kapiler pembuluh darah dengan cara difusi. Berarti molekul kedua gas bergerak tanpa menggunakan tenaga aktif.  Urutan proses difusi meliputi:

  • Difusi pada fase gas
    Udara atmosfer masuk ke dalam paru dengan aliran yang cepat, ketika dekat alveoli kecepatannta berkurang sampai terhenti. Udara atau gas yang baru masuk dnegan cepat berdifusi atau bercampur dengan gas yang telah ada di dalam alveoli. Kecepatan gas berdifusi di sini berbanding terbalik dengan berat molekulnya. Gas oksigen mempunyai molekul gas oksigen lebih cepat dibandingkan dengan gerak molekul gas karbondioksida sehingga kecepatan difusi oksigen juga lebih cepat. Percampuran antara gas yang baru saja masuk ke dalam paru dengan yang lebih dahulu masuk akan komplit dalam hitungan perpuluhan detik. Hal semacam ini terjadi pada alveoli yang normal, sedangkan pada alveoli yang tidan normal seperti pada emfisema, percampuran gas yang baru masuk dengan gas yang telah berada di alveoli lebih lambat.5
  • Difusi menembus membran pembatas
    Proses difusi yang melewati membran pembatas alveoli dengan kapiler pembuluh darah meliputi proses difusi fase gas dan proses difusi fase cairan. Dalam hal ini, pembatas-pembatasnya adalah dinding alveoli, dinding kapiler pembuluh darah (endotel), lapisan plasma pada kapiler, dna dinding butir darah merah (eritrosit). Kecepatan difusi melewati face cairan tergantung kepada kelarutan gas ke dalam cairan. Kelarutan karbondioksida lebih besar dibandingkan dengan kelarutan oksigen sehingga kecepatan difusi karbondioksida di dalam fase cairan 20 kali lipat kecepatan difusi oksigen. Semakin tebal membrana pembatas halangan bagi proses difusi semakin besar. Pada keadaan tertentu, gradien kosentrasi oksigen dan karbonbioksida antara darah dan alveolus mungkin meningkat atau menurun. Gradien kosentrasi memengaruhi kecepatan difusi gas. Sebagai contoh, selama olahraga kosentrasi di dalam darah yang masuk ke kapiler paru mungkin kurang dari 40 mmHg karena otot-otot yang bekerja meningkatkan konsumsi oksigen. Kosentrasi karbondioksida akan lebih besar dalam darah yang mengalir ke paru dari jaringan yang aktif karena produksi metabolisme meningkat. Dalam keadaan ini, kecepatan difusi kedua gas tersebut akan meningkat sehingga lebih banyak oksigen yang berdifusi ke dalam darah dan lebih banyak karbondioksida berdifusi keluar dari darah. Kecepatan difusi di tentukan oleh beberapa faktor, yaitu:6

  • Ketebalan Membran
    Semakin tebal membran alveolus, maka proses difusi semakin sulit. Tebalnya membran alveolus misalnya oleh karena edema paru. Akibatnya gas-gas pernapasan haris berdifusi tidak hanya melalui membran alveolus melainkan cairan tersebut.6

  • Luas Permukaan Membran Alveolus
    Penurunan luas permukaan paru-paru akan mengakibatkan kemampuan par-paru untuk berdifusi pun menurun. Hal tersebut berarti semakin luas permukaan membran alveolus maka akan semakin banyak gas-gas pernapsan yang berdifusi dan begitu pun sebaliknya. Penurunan luas permukaan paru akan mengganggu pertukaran gas pernapasa.6

  • Perbedaan Tekanan antara Kedua Sisi Membran
    Perbedaan tekanan antara kedua sisi membran merupakan perbedaan antara tekanan parsial gas dalam alveolus lebih besar daripada tekanan gas dalam darah, maka terjadi difusi dari alveolus ke dalam darah dan begitu sebaliknya. Tekanan gas yang tinggi dalam alveolus adalah tekanan oksigen sedangkan tekanan yang tinggi pada kapiler darah adalah tekanan karbondioksida. Hal tersebut akan mengakibatkan oksigen berdifusi ke kapiler darah dan karbondioksida berdifusi ke alveolus.6

  • Suhu
    Penurunan suhu akan menurunkan kecepatan difusi oksigen dan karbondioksida. Peningkatan suhu akan meningkatkan kecepatan difusi kedua gas. Hal ini mungkin berperan dalam memenuhi kebutuhan metabolik yang meningkat selama demam. Peningkatan suhu dna peningkatan jumlah zat-zat yang diproduksi sel darah merah selama proses glikolisis, 2,3-diphosphoglycerate (DPG). Afinitas oksigen menurun dapat diartikan bahwa hemoglobin melepas oksigen ke jaringan lebih cepat. Peningkatan ion hidrogen, suhu, dna DPG terjadi selama periode peningkatan metabolisme, oleh sebab itu penurunan afinitas hemoglobin melepaskan lebih banyak oksigen ke sel dan memungkinkan untuk memenuhi kebutuhan metabolisme yang meningkat.

Pertukaran Gas di Paru-paru

O2 larut secara fisik dalam plasma , namun sebagian besar berdifusi dalam sel darah merah bereaksi dengan deoksiHb membentuk oksiHb sambil melepaskan H+ .Pada saat Hb jenuh dengan O2, afinitas terhadap CO2 ↓ sehingga CO2 yang terikat pada Hb akan terdisosiasi dan berdifusi keluar dari sel darah merah melalui plasma menuju alveoli.

Ion H+ yang dilepaskan Hemoglobin berikatan dengan ion HCO3- yang berdifusi ke dalam sel darah merah dari plasma dan saling bertukar tempat dengan Cl-.  Reaksi antara H+  dan HCO3-  menghasilkan H2CO3. Asam Karbonat pecah menjadi H2O & CO2 dengan bantuan enzim karbonat anhidrase. CO2  berdifusi  keluar dari sel darah merah menuju plasma lalu ke alveoli.7

Pertukaran Gas di Jaringan

CO2 terlarut dalam jumlah kecil dalam plasma namun sebagian besar  berdifusi ke dalam sel darah merah bereaksi dg air membentuk  H2CO3 atau berikatan dengan Hb membentuk carbamino Hb.  Reaksi dikatalisis oleh carbonate anhidrase.  Terdisosiasi  jd H+  dan HCO3- .Selama pergeseran klorida, ion HCO3- berdifusi keluar dari sel darah merah digantikan oleh Cl-.Selanjutnya HCO3- bertindak sbg buffer mengontrol pH darah.

Dalam sel darah merah, ion H+ dibuffer oleh Hb . Pada keadaan dimana Hb berikatan dg H+ Hb punya afinitas yang rendah  thd O2. Sejumlah  kecil  O2 diangkut dalam keadaan terlarut secara fisik berdifusi keluar dari plasma masuk ke dalam sel jaringan.

Efek Dekompresi

Bila orang bernapas dalam lingkungan udara bertekanan tinggi dalam jangka waktu lama, jumlah nitrogen yang larut dalam cairan tubuhnya akan banyak sekali. Mengapa demikian ? Darah yang mengalir melalui kapiler paru akan jenuh dengan nitrogen yang tekanannya sama dengan tekanan yang terdapat dalam udara campuran pernapasan. Setelah beberapa jam, cukup banyak nitrogen yang diangkut ke jaringan sehingga jaringan jenuh akan nitrogen. Karena nitrogen tidak di metabolism oleh tubuh, nitrogen akan tetap larut sampai tekanan nitrogen dalam paru turun, pada waktu itulah nitrogen dibuang melalui pernapasan, tetapi pembuangan ini memerlukan waktu beberapa jam dan sekumpulan masalah ini yang disebut “decompression sickness”

Mekanisme Bila seorang penyelam telah lama berada di dalam laut sehingga sejumlah besar nitrogen terlarut dalam tubuhnya dan kemudian tiba-tiba naik ke permukaan laut, sejumlah gelembung nitrogen dapat timbul dalam cairan tubuhnya baik intrasel maupun ekstrasel, dan hal ini dapat menimbulkan kerusakan di setiap tempat dalam tubuh, dari derajat ringan hingga berat bergantung pada jumlah dan ukuran gelembung yang terbentuk. Inilah decompression sickness.

Selama penyelam itu masih tetap berada di laut, tekanan di luar tubuhnya ( 5000 mm Hg ) akan menekan jaringan tubuh sehingga gas tetap berada dalam keadaan terlarut. Tetapi bila penyelam itu mendadak naik ke permukaan laut, tekanan di luar tubuhnya menjadi hanya 1 atm ( 760 mmHg ), sedangkan tekanan gas dalam cairanb tubuhnya merupakan jumlah dari tekanan uap air, karbon dioksida, oksigen, dan nitrogen atau total 4065 mm Hg, yang jelas jauh lebih besar dari tekanan di luar tubuh dan sekitar 97 % nya disebabkan oleh nitrogen terlarut. Oleh karena itu gas akan keluar dari larutan dan membentuk gelembung-gelembung dalam jaringan, terutama dalam darah yang kemudian menyumbat pembuluh darah.