Pertukaran Gas pada Sistem Respirasi Manusia Ersa Kurnia Wahyawibawa (102015233) Irma Suryani Sur yani (102016005) Maria Siallagan (102016038) Agus Cahyadi (102016044) Winny Marfika Bitti kaka (102016079) Denara Natalia Djou (102016140) Della Nabila (102016190) Nathaniel Sugiarto (102016209) Aurellia Lesmana (102016224) Kelompok E2 Fakultas Kedokteran Universitas Kristen Krida Wacana Jalan Arjuna Utara No. 6, Jakarta Barat 11510
Abstrak
Semua manusia diberikan karunia oleh Yang Maha Kuasa untuk hidup. Dan manusia dapat dikategorikan masih hidup apa bila masih bernafas dan bergerak normal. Bernafas adalah sebuah keharusan bagi manusia, dimana tubuh memerlukan gas yaitu oksigen yang nantinya akan disebarkan ke seluruh tubuh melalui pembuluh darah agar manusia dapat bergerak dan melakukan aktivitasnya seperti biasa. Akan terjadi pertukaran gas yang diedarkan dengan hasil metabolisme yaitu karbon dioksida. Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi kelarutan gas dalam darah, salah satunya adalah tekanan. Pada kedalaman laut tekanan akan semakin bertambah dan mempengaruhi konsentrasi udara yang dihisap. Apabila gas inert seperti N 2 dihisap, gas tersebut tidak dapat termetabolisme dan dapat menyebabkan penyakit dekompresi yang untuk mengobatinya digunakan terapi hiperbarik. Kata kunci : Pernafasan, Kelarutan, Pertukaran, Gas
Ab A bstr str act All human beings are granted by the Almighty to live. And humans can be categorized still alive what if still breathing and moving normally. Breathing is a must for humans, where the body requires gas that is oxygen which will be spread throughout the body through the blood vessels so that humans can move and perform activities as usual. There will be a gas exchange that is circulated with the metabolic result of carbon dioxide. There are many factors that affect the solubility of the gas in the blood, one of which is pressure. At the depth of the sea the pressure will increase and affect the concentration of air inhaled. When an inert gas such as N2 is inhaled, the
gas can not be metabolized and may cause decompression to treat it i t with hyperbaric therapy.
K eywo ywor ds : Respiratory, Solubility, Exchange, Gas Pendahuluan
Kelarutan gas dalam cairan berarti kemampuan gas yang bertindak sebagai terlarut untuk dapat larut dalam cairan yang bertindak sebagai pelarut masing-masing pada komposisi dan jumlah tertentu. Prinsip kelarutan gas dalam cairan adalah "like dissolve like" yang berarti zat pelarut dan terlarut saling melarutkan, apabila mempunyai kemiripan kepolaran. Kepolaran dalam ikatan kimia adalah suatu keadaan dimana distribusi penyebaran elektron tidak merata atau elektron lebih cenderung terikat pada salah satu atom. Jadi suatu gas akan larut dalam cairan jika mirip kepolarannya sehingga saling melarutkan. Senyawa polar adalah senyawa yang terbentuk akibat adanya suatu ikatan antar elektron pada unsur-unsurnya, senyawa dikatakan polar jika ada perbedaan keelektronegatifan. contohnya NH3 yaitu ada ada unsur N(-) dan H(+) (perhatikan positif dan negatifnya, berarti ada perbedaan keelektronegatifannya yang dalam hal ini disebut senyawa polar) Jadi gas yang sama sifat keelektonegatifan dengan pelarut dalam hal ini cairan, maka gas itu akan larut. Sayangnya kebanyakan gas bersifat Non polar dan pelarut dalam hal ini cairan kebanyakan keban yakan bersifat polar. Jika J ika dua senyawa mempunyai kepolaran yang sama maka akan saling melarutkan, tetapi jika senyawa yang satu Non polar dan yang satunya lagi polar, maka tidak akan atau sedikit terjadi kelarutan. Contohnya NH3 + H2O ini akan saling mudah untuk melarutkan karena disebabkan sama kepolarannya (perbedaan keelektronegatifan) juga disebabkan adanya ikatan hidrogen.
Pembahasan 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 selsel 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 cai ran 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 ber gantung kepada selisih bagian gas yang ada di tiap kompartemen. Proses pertukaran gas terjadi dengan cara difusi. Oksigen masuk ke dalam sel dan dalam mitokondria mitokondria digunakan untuk proses metabolisme
yang
penting
untuk
kelangsungan hidup. 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).
Gambar 1. Sistem pernafasan.2 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.
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. 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. 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. 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). 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. 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. 1
Kelarutan Gas dalam Darah
1. Kelarutan Gas Secara Kimia dan Fisika Kelarutan gas secara fisika dimana Gas terlarut tanpa bereaksi dengan pelarutnya. Kelarutan gas secara fisika sangat kecil, hal ini terjadi karena perbedaan kepolaran antara gas dan pelarutnya juga kecil, contoh kelarutan gas 0 2, N2 atau H2
dalam air. Jadi gas 0 2, N2 atau H2 kecil kelarutannya dalam air karena perbedaan kepolarannya kecil. Gas 0 2, N2 atau H2 merupakan gas-gas diatomik atau dua atom non
polar
yang
dimana
karena
non
polar
berarti
tidak
ada
perbedaan
keelektronegatifan. Kelarutan gas secara kimiawi dimana Gas yang terlarut bereaksi dengan pelarutnya, sehingga kelarutan gas menjadi lebih besar. kelarutan kel arutan gas secara kimiawi sangat besar karena perbedaan kepolarannya sangat besar, contoh : NH 3 + H2O. dalam reaksi ini juga terjadi jembatan hidrogen antara gas NH 3 dengan air. Pada contoh diatas dapat dilihat adanya kesamaan kepolaran antara gas NH 3 yang bersifat polar, dengan H2O atau air yang bersifat polar juga, selain karena sama- sama polar, kelarutan kedua senyawa ini juga semakin besar akibat adanya jembatan hidrogen yang terbentuk. Jembatan hidrogen atau ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. 2. Pertukaran Gas di dalam Paru-paru Bernafas yaitu mengambil dan mengeluarkan udara pernapasan melalui paru paru. Kemudian arti yang lebih khusus adalah pertukaran gas yang terjadi didala m sel dengan “lingkungannya”.
2
a. Pernafasan Eksternal Pernapasan luar adalah pertukaran gas di dalam paru-paru. Sehingga berlangsung difusi gas dari luar masuk kedalam aliran darah. Dengan kata lain, pernapasan luar adalah pertukaran gas (O2 dan CO2) anatar udara dan darah. Pada Pernapasan luar, darah kana keluar masuk ke dalam kapiler paru-paru yang mengangkut sebagian besar karbon dioksida sebagai ion bikarbonat ( HCO 3 ) dengan persamaan reaksi seperti berikut ini. H
HCO3 H 2 CO3
ketika karbon dioksida
yang tinggal sedikit keluar dari dalam darah, maka terjadi reaksi seperti di bawah ini. H 2 CO3
H 2O
CO2
enzim karbonat anhidrase yang terdapat dalam sel-sel darah
merah dapat mempercepat reaksi. Ketika reaksi berlangsung hemoglobin melepaskan ion-ion hydrogen yang telah diangkut; H Hb menjadi Hb. Hb merupakan singkatan dari haemoglobin, yaitu jenis protein dalam sel darah merah. Selanjutnya hemoglobin siap untuk mengikat oksigen dan menjadi oksihemoglobin. Untuk memudahakn penulisan Hb yang mengikat oksigen disingkat HbO 2. Selama pernapasan luar, di
dalam paru-paru akan terjadi pertukaran gas yaitu CO 2 meninggalakan darah dan O 2 masuk ke dalam secara difusi. Terjadinya difusi O 2 dan CO 2 ini karena adanya perbedaan tekan parsial. Tekanan udara luar sebeasr 1 atm (760 mmHg), sedangkan tekanan parsial O2 di paru-paru arteri
100 mmHg, dan di vena
760m mmHg. Tekanan parsial pada kapiler darah
40mmHg. Hal ini emnyebabkan O 2 berdifusi dari
udara ke dalam darah. Sementara itu, tekanan parsial CO 2 dalam vena teakan parsial CO2 dalam arteri
47 mmHg,
41 mmHg dan tekan parsial dalam alveolus
40mmHg. Oleh karena itu CO 2 berdifusi dari darah ke alveolus.2 b. Pernafasan Internal Pada pernapasan dalam (pertukaran gas didalam jaringan tubuh) darah masuk kedalam jaringan tubuh, oksigen meninggalakan hemoglobin dan berdifusi masuk kedalam cairan jaringan tubuh. Reaksinya sebagai berikut.
HbO HbO2
Hb Hb
O2
difusi
oksigen keluar dari darah dan masuk ke dalam cairan jaringan dapat terjadi, karena tekanan oksigen di dalam cairan jaringan lebih rendah dibandingkan di dalam darah. Hal ini disebabkan
karena sel-sel secar terus menerus menggunakannya menggunakannya dalam
respirasi selular. Perlu diketahui bahwa tekanan parsial O 2 pada kapiler darah
100
mmHg dan tekan parsial O 2 dalam jaringan tubuh kurang dari 40 mmHg. Sebaliknya tekanan karbon dioksida adalah tinggi, karena karbon dioksida secara terus-menerus dihasilkan oleh sel-sel tubuh. Tekanan parsial CO 2 dalam jaringan dalam kapiler darah
60 mmHg dan
41 mmHg. Peristiwa inilah yang menyebabkan O 2 dapat dapat
berdifusi ke dalam jaringan dan CO2 berdifusi ke luar jaringan. 2,3 3. 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-.2 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.3
Prinsip Kesetimbangan 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 melintas i 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 tanpa menggunakan tenaga aktif. Urutan proses difusi meliputi:5 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 a. 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.5
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 b. 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 c. 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. sebalikn ya. Penurunan luas permukaan paru akan mengganggu pertukaran gas pernapasa.6,7 d. 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. 7 e. 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. 7
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 Sete lah beberapa b eberapa 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 si ckness. 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 cairan 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. 8
Kesimpulan
Pernapasan merupakan suatu proses pertukaran gas-gas respirasi yaitu oksigen dan karbondioksida yang kemudian dibawa oleh darah keseluruh tubuh untuk kelangsungan hidup. Namun apabila pernafasan manusia tidak teratur dan berada pada tekanan yang tidak tepat, tentu te ntu akan mengalami kelainan dan ketidak-normalan. Cara bernafas yang tidak normal dipengaruhi oleh tekanan sehingga memberi dampak tidak baik pada sistem pernafasan manusia.
Daftar Pustaka
1. Gunardi S. Anatomi sistem pernapasan. Edisi ke-2. Jakarta: Balai Penerbit Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia; 2009. 2. Campbell NA, Reece JB, Mitchel LG. Biologi: Jakarta; 2004 3. Ismail M, Amirullah, Fitriana. Kimia dalam keperawatan. Sulawesi Selatan : Pustaka As
Salam; 2010.h.59.
4. James J, Baker C, Swain H. Prinsip-prinsip sains untuk keperawatan: Erlangga; 2008.h.151 5. Djojodibroto D. Respirologi (respiratory medicine). Edisi 1. Jakarta 2007. h.25-7 6. Cowin E.J. Buku saku patofisiologi. Edisi 3. Jakarta 2009. h.525-8 7. Somantri I. Asuhan keperawatan pada pasien dengan gangguan sistem pernapasan. Jakarta:
Salemba Medika; 2007.h.14-5
8. Sherwood L. Fisiologi manusia: dari sel ke sistem. Edisi ke-6. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC; 2009.h.539.
