Mekanisme Pengaturan Laju Pernapasan Pada Manusia

Sistem pernafasan manusia merupakan suatu susunan yang sangat kompleks. Mulai dari alat tubuh yang dipergunakan dalam bernapas maupun dari segi bagaimana ia dapat bekerja secara optimal. Allah SWT telah menciptakan susunan ini dengan begitu sempurna, tiada cacat sedikitpun. Setiap sel dan jaringan yang menyusunnya memiliki fungsi dan peranannya tersendiri. Strukturnya yang begitu rumit menjadikan sistem ini begitu istimewa untuk menopang kehidupan kita para manusia.

Respirasi

Respirasi adalah pertukaran gas antara mahluk hidup dengan lingkungan sekitarnya. Pada serangga oxigen dibawa langsung ke sel-sel melalui suatu sistem percabangan trachea yang cukup efisien.pada katak respirasi terjadi 50% melalui kulit, dan sisanya melalui sistem sirkulasi pulmonal. Pertukaran gas pada manusia melalui sistem sirkulasi pulmonal yang kompleks, dimana oksigen didistribusikan dan CO2 dikeluarkan dari seluruh sel-sel tubuh.

Respirasi pada manusia dibagi menjadi respirasi eksternal dan respirasi internal. Respirasi eksternal adalah pertukaran gas antara darah dan udara di lingkungan sekitar, terbagi dalam empat proses :

1. Ventilasi : Pergerakan massa udara dari luar ke dalam alveoli dan distribusinya di dalam alveoli.
2. Mixing : Distribusi intrapulmonal molekul gas (alveolar)
3. Diffusi : Proses masuknya gas melewati membran alveoli-kapiler.
4. Perfusi alveolar-sirkulasi kapiler : pengambilan gas oleh aliran darah pulmonal

Respirasi internal adalah pertukaran gas antara darah dan jaringan, terdiri dari empat proses :

1. Sirkulasi arteri dalam menghantarkan darah yang mengandung oksigen.
2. Distribusi kapiler
3. Difusi : Proses masuknya gas ke dalam ruang interstitial dan melewati melewati membran
4. Metabolisme seluler melibatkan enzim respirasi.

Pada dasarnya, ventilasi bervariasi berdasarkan metabolisme individu dan reaksi kimia di darah. Ventilasi yang efisien tergantung pada :

1. Struktur normal
2. Koordinasi kerja otot
3. Perbedaan tekanan gas
4. Integrasi neuromuskuler

Pengendalian Pernapasan Oleh Sistem Persarafan

Pengaturan pernapasan oleh persarafan dilakukan oleh korteks cerebri, medulla oblongata, dan pons.

Korteks Cerebri

Berperan dalam pengaturan pernapasan yang bersifat volunter sehingga memungkinkan kita dapat mengatur napas dan menahan napas. Misalnya pada saat bicara atau makan.

Medulla oblongata

Terletak pada batang otak, berperan dalam pernapasan automatik atau spontan. Pada kedua oblongata terdapat dua kelompok neuron yaitu Dorsal Respiratory Group (DRG) yang terletak pada bagian dorsal medulla dan Ventral Respiratory Group (VRG) yang terletak pada ventral lateral medula. Kedua kelompok neuron ini berperan dalam pengaturan irama pernapasan.

DRG terdiri dari neuron yang mengatur serabut lower motor neuron yang mensyarafi otot-otot inspirasi seperti otot intercosta interna dan diafragma untuk gerakan inspirasi dan sebagian kecil neuron akan berjalan ke kelompok ventral. Pada saat pernapasan kuat, terjadi peningkatan aktivitas neuron di DRG yang kemudian menstimulasi untuk mengaktifkan otot-otot asesoris inspirasi, setelah inspirasi selesai secara otomatis terjadi ekspirasi dengan menstimulasi otot-otot asesoris.

Kelompol ventral (VRG) terdiri dari neuron inspirasi dan neuron ekspirasi. Pada saat pernafasan tenang atau normal kelompok ventral tidak aktif, tetapi jika kebutuhan ventilasi meningkat, neuron inspirasi pada kelompok ventral diaktifkan melalui rangsangan kelompok dorsal.

Impuls dari neuron inspirasi kelompok ventral akan merangsang motor neuron yang mensyarafi otot inspirasi tambahan melalui N IX dan N X. Impuls dari neuron ekspirasi kelompok ventral akan menyebabkan kontraksi otot-otot ekspirasi untuk ekspirasi aktif.

Pons

Pada pons terdapat 2 pusat pernapasan yaitu pusat apneutik dan pusat pnumotaksis. Pusat apneutik terletak di formasio retikularis pons bagian bawah. Fungsi pusat apneutik adalah untuk mengkoordinasi transisi antara inspirasi dan ekspirasi dengan cara mengirimkan rangsangan impuls pada area inspirasi dan menghambat ekspirasi.

Sedangkan pusat pneumotaksis terletak di pons bagian atas. Impuls dari pusat pneumotaksis adalah membatasi durasi inspirasi, tetapi meningkatkan frekuensi respirasi sehingga irama respirasi menjadi halus dan teratur, proses inspirasi dan ekspirasi berjalan secara teratur pula.

Pernapasan Normal

Pada pernapasan biasa, pusat saraf dorsal akan melepaskan sinyal inspirasi ritimis (yang teratur). Kalau di guyton disebutkan bahwa pelepasan sinyal2 inspirasi ritmis ini belum diketahui penyebabnya. Sinyal inspirasi yang dilepaskannya ini berupa sinyal yang landai (ramp signal), gunanya supaya inspirasi kita itu terjadi secara perlahan dan dapat meningkatkan volume paru dengan mantap, sehingga kita tidak bernapas terengah-engah.

Perlu diingat lagi bahwa sinyal-sinyal ini akan dihantarkan ke paru dan otot-otot diafragma melalui saraf-sifat motorik pernapasan. Setelah pusat dorsal melepaskan sinyal inspirasi yang landai tersebut, pusat pneumotaksik akan mentransmisikan sinyal ke area inspirasi. Efek utama di sini adalah mengatur titik “penghentian” inspirasi landai, dengan demikian mengatur lamanya proses inspirasi.

Kalau sinyal pneumotaksik ini kuat, inspirasi dapat berlangsung hanya dalam 0,5 detik, akibatnya volume inspirasi juga sedikit; kalau sinyal pneumotaksik ini lemah, inspirasi dapat berlangsung terus selama 5 detik bahkan bisa lebih, akibatnya volume inspirasi menjadi banyak sekali.

Nah, kalau sinyal inspirasi landai itu telah berhenti, maka paru secara otomatis akan mengalami fase ekspirasi. Paru-paru kita mempunyai suatu sifat istimewa yakni elastis dan punya daya lenting. Jadi ekspirasi ini terjadi sebagai imbas dari inspirasi, dimana disini udara yang keluar tentunya telah bertukar dengan CO2. Tegasnya, ekspirasi tenang yang normal, murni disebabkan akibat sifat elastis daya lenting paru dan rangka toraks.

Pernapasan yg Lebih Dalam

Nah, kalau kita bernapas lebih dalam, disini baru terjadi peranan dari kelompok saraf pernapasan bagian ventral. Sedangkan pada pernapasan tenang yang normal, kelompok saraf ventral ini inaktif.

Bila rangsangan pernapasan guna meningkatkan ventilasi paru menjadi lebih besar dari normal, sinyal respirasi yang berasal dari mekanisme getaran dasar di area pernapasan dorsal akan tercurah ke neuron pernapasan ventral. Akibatnya, area pernapasan ventral turut membantu merangsang pernapasan ekstra.

Rangsangan area ventral ini berupa rangsangan listrik yang menyebabkan inspirasi dan juga ekspirasi. Tetapi yang paling penting disini adalah sinyal untuk ekspirasi, karena sinyal-sinyal ini langsung dihantarkan dengan kuat ke otot-otot abdomen selama ekspirasi yang sangat sulit. Intinya, pernapasan ventral ini gunanya sebagai pendorong bila dibutuhkan ventilasi paru yang lebih besar, khususnya selama latihan fisik berat.

Kendali Kimia

Banyak faktor yang mempengaruhi laju dan kedalaman pernapasan yang sudah diset oleh pusat pernapasan, yaitu adanya perubahan kadar oksigen, karbon dioksida dan ion hidrogen dalam darah arteri. Perubahan tersebut menimbulkan perubahan kimia dan menimbulkan respon dari sensor yang disebut kemoreseptor. Ada 2 jenis kemoreseptor, yaitu kemoreseptor pusat yang berada di medulla dan kemoreseptor perifer yang berada di badan aorta dan karotid pada sistem arteri.

1. Kemoreseptor pusat, dirangsang oleh peningkatan kadar karbon dioksida dalam darah arteri, cairan serebrospinal peningkatan ion hidrogen dengan merespon peningkatan frekuensi dan kedalaman pernapasan.
2. Kemoreseptor perifer, reseptor kimia ini peka terhadap perubahan konsentrasi oksigen, karbon dioksida dan ion hidrogen. Misalnya adanya penurunan oksigen, peningkatan karbon dioksida dan peningkatan ion hidrogen maka pernapasan menjadi meningkat.

Pengaturan Oleh Mekanisme Non Kimiawi

Beberapa faktor non kimiawi yang mempengaruhi pengatuan pernapasan di antaranya : pengaruh baroreseptor, peningkatan suhu tubuh, hormon epineprin, refleks hering-breuer.

1. Baroreseptor, berada pada sinus kortikus, arkus aorta atrium, ventrikel dan pembuluh darah besar. Baroreseptor berespon terhadap perubahan tekanan darah. Peningkatan tekanan darah arteri akan menghambat respirasi, menurunnya tekanan darah arteri dibawah tekanan arteri rata-rata akan menstimulasi pernapasan.
2. Peningkatan suhu tubuh, misalnya karena demam atau olahraga maka secara otomatis tubuh akan mengeluarkan kelebihan panas tubuh dengan cara meningkatkan ventilasi.
3. Hormon epinephrin, peningkatan hormon epinephrin akan meningkatkan rangsangan simpatis yang juga akan merangsang pusat respirasi untuk meningkatkan ventilasi.
4. Refleks hering-breuer, yaitu refleks hambatan inspirasi dan ekspirasi. Pada saat inspirasi mencapai batas tertentu terjadi stimulasi pada reseptor regangan dalam otot polos paru untuk menghambat aktifitas neuron inspirasi. Dengan demikian refleks ini mencegah terjadinya overinflasi paru-paru saat aktifitas berat.

Mekanisme Pengaturan Laju Pernapasan Pada Manusia

Inspirasi dan ekspirasi

Udara bergerak masuk dan keluar paru karena ada selisih tekanan yang terdapat antara atmosfer dan alveolus akibat kerja mekanik otot-otot pernafasan. Diafragma (dibantu oleh otot-otot yang dapat mengangkat tulang iga dan sternum) merupakan otot yang utama yang ikut berperan dalam peningkatan volume paru dan rangka torak selama inspirasi.

Selama inspirasi volume torak bertambah besar karena diafragma turun dan iga terangkat akibat kontraksi beberapa otot pernafasan. Selama pernafasan tenang, ekspirasi merupakan gerakan pasif akibat elastisitas dinding dada dan paru.

Pada waktu otot interkostalis eksternus relaksasi, rangka iga turun dan lengkung diafragma naik ke atas ke dalam rongga torak menyebabkan volume torak berkurang selain itu otot-otot abdomen dapat berkontraksi sehingga tekanan intra abdominal membesar dan menekan diafragma ke atas. Pengurangan volume torak ini meningkatkan tekanan intra pleura maupun intra pulmonal. Tekanan intra pleura selalu berada di bawah tekanan atmosfer selama siklus pernafasan.

Volume paru

1. Jumlah udara yang masuk ke dalam paru setiap inspirasi (atau jumlah udara yang keluar dariparu setiap ekspirasi) dinamakan Volume alun napas (Tidal volume/TV).
2. Jumlah udara yang masih dapat masuk ke dalam paru pada inspirasi maksimal, setelah inspirasi biasa disebut Volume cadangan inspirasi (inspiratory reserve volume/IRV).
3. Jumlah udara yang dapat dikeluarkan secara aktif dari dalam paru melalui kontraksi otot ekspirasi, setelah ekspirasi biasa disebut Volume cadangan ekspirasi ( ekspiratory reserve volume/ERV).
4. Udara yang masih tertinggal dalam paru setelah ekspirasi maksimal disebut Volume residu (residual volume/RV).
5. Volume udara pada akhir inspirasi yang masksimal disebut Total Lung Capacity (TLC).

Pertukaran gas pada respirasi

Pertukaran gas yang terjadi tergantung pada ventilasi alveolar (jumlah udara yang mencapai alveolus permenit) dan aliran darah pada kapiler pulmonal yang erat kaitannya dengan kemampuan gas untuk berdifusi (proses dimana suatu gas karena gerakan-gerakan partikelnya mengisi semua volum yang tersedia) melawati alveoli dan permukaan kapiler.

Kecepatan difusi karbon dioksida 20 kali lebih cepat dari kecepatan difusi oksigen. Pada keadaan / mekanisme tubuh yang normal kesesuaian ventilasi dan aliran darah dipertahankan oleh mekanisme anatomik dan kontriksi lokal dari pembuluh darah pulmoner yang mengalami hipoventilasir

Pertukaran gas pada paru-paru dipicu oleh adanya perbedaan tekanan parsial antara alveoli dan darah vena (dalam hal ini darah yang mengalir di A.pulmonalis).

Pengaturan respirasi

Respirasi dikendalikan oleh sistem saraf pusat (SSP), terdapat dua mekanisme neural terpisah bagi pengaturan pernapasan. Satu mekanisme berperan pada kendali pernapasan volunter sedangkan yang lainnya mengendalikan pernapasan. Pusat pernapasan volunter terletak di korteks serebri dan impuls dikirimkan ke neuron motorik otot pernapasan. Pusat pernapasan otomatis terletak di pons dan medula oblongata.

Keluaran motorik akhir disalurkan melalui medula spinalis dan saraf frenikus yang mempersarafi diafragma, yaitu otot utama ventilasi. Saraf utama lain yang ikut ambil bagian adalah saraf asesorius dan interkostalis torasika yang mempersarafi otot bantu pernapasan dan otot interkostalis. Otot-otot pernapasan yang merupakan bagian dari dinding toraks merupakan sumber kekuatan dalam pernapasan.

Diafragma (dibantu oleh otot-otot yang dapat mengangkat tulang iga dan sternum) merupakan otot yang utama yang ikut berperan dalam peningkatan volume paru dan rangka torak selama inspirasi; ekspirasi merupakan suatu proses yang pasif pada pernapasan tenang.

Otot-otot pernapasan diatur oleh pusat pernapasan yang terdiri dari neuron dan reseptor pada pons dan medula oblongata. Pusat pernapasan merupakan bagian sistem saraf yang mengatur semua aspek pernapasan. Faktor utama pada pengaturan pernapasan adalah respon dari pusat kemoreseptor dalam pusat pernapasan terhadap tekanan parsial karbondioksida(PaCO2) dan pH darah arteri. Peningkatan PaCO2 atau penurunan pH merangsang pernapasan.

Penurunan tekanan parsial O2 dalam darah arteri PaO2 dapat juga merangsang ventilasi. Kemoreseptor perifer yang terdapat dalam badan karotis pada bifukarsio arteri karotis komunis dan dalam badan aorta pada arkus aorta, peka terhadap penurunan PaO2 dan pH dan peningkatan PaCO2.