Biologi semester 2

Proses Pernapasan pada Manusia- Agar mendapatkan suplai oksigen yang segar, udara di dalam paru-paru harus diganti secara konstan. Hal ini terjadi ketika proses pernapasan berlangsung. Proses pernapasan dibagi menjadi dua tahap, yaitu tahap inspirasi dan tahap ekspirasi.

1. Fase Inspirasi dan Ekspirasi. Inspirasi merupakan proses ketika udara masuk ke dalam saluran pernapasan, sedangkan ekspirasi merupakan proses ketika udara keluar dari saluran pernapasan. Inspirasi terjadi ketika kita menghirup napas dan ekspirasi terjadi ketika kita mengembuskan napas atau mengeluarkan udara dari paru-paru kita. Terdapat dua macam pernapasan, yaitu pernapasan dada dan pernapasan perut. Apakah perbedaannya?

Inspirasi terjadi ketika otot antartulang rusuk berkontraksi. Tulang rusuk akan terangkat dan rongga dada membesar. Tekanan udara di dalam rongga dada menurun sehingga terjadi aliran udara dari lingkungan ke dalam saluran pernapasan. Ekspirasi terjadi ketika otot antartulang rusuk mengendur (relaksasi) yang menyebabkan mengecilnya rongga dada. Pernapasan seperti ini disebut pernapasan dada. Pada pernapasan perut, selama inspirasi otot diafragma berkontraksi sehingga posisi permukaan diafragma menjadi mendatar. Akibatnya, volume rongga dada dan paru-paru membesar. Membesarnya volume paru-paru menyebabkan tekanan udara di dalamnya menjadi lebih rendah daripada tekanan udara di luar paru-paru sehingga udara masuk ke paru-paru. Sebaliknya, selama ekspirasi, otot diafragma mengalami relaksasi sehingga menyebabkan posisi permukaan diafragma menjadi melengkung ke atas. Akibatnya, volume rongga dada dan rongga paru-paru menjadi mengecil sehingga tekanan udara di dalam paru-paru lebih tinggi daripada tekanan udara di luar paru-paru. Perbedaan tekanan udara ini menyebabkan keluarnya udara dari dalam paru-paru.

Gambar 7.3 Ketika terjadi inspirasi, otot diafragma berkontraksi, ekspirasi otot diafragma berelaksasi.

2. Volume Udara dalam Paru-paru. Volume udara di dalam paru-paru dapat dibedakan menjadi volume tidal, volume komplementer, volume suplementer, kapasitas vital, dan volume residual.

a. Volume tidal (500 mL): volume udara yang dihirup dan dikeluarkan pada keadaan istirahat.

b. Volume suplemen (±1.500 mL): volume udara yang masih dapat dikeluarkan setelah ekspirasi biasa (tidal).

c. Volume komplemen (±3.000 mL): volume udara yang masih dapat dihirup setelah inspirasi biasa (tidal).

d. Volume residu (±1.200 mL): volume udara yang tersisa setelah melakukan ekspirasi maksimal. Volume residu tidak dapat dikeluarkan dengan ekspirasi biasa. Volume residu disebut juga dengan udara cadangan.

e. Kapasitas vital (±5.000 mL): jumlah volume total dari volume tidal, volume suplemen, dan volume komplemen. Dengan kata lain, kapasitas vital adalah volume maksimal udara yang dapat dihembuskan setelah inspirasi maksimal.

f. Kapasitas total paru-paru: jumlah volume residu ditambah kapasitas vital paru-paru.

Ketika kita mengembuskan napas semaksimal mungkin, tidak semua udara keluar dari paru-paru kita. Volume udara yang tersisa ini sangat bervariasi pada setiap individu. Volume udara yang tetap berada di dalam paru-paru ini disebut volume residual. Jadi, jika volume residual dijumlahkan dengan kapasitas vital, hasilnya adalah kapasitas total paru-paru.

Gambar 7.4 Volume udara di dalam paru paru

3. Kecepatan Bernapas. Sistem pernapasan tidak terlepas dari pengaturan oleh sistem saraf. Kita dapat menahan napas selama beberapa menit. Namun, kemudian kita akan merasakan dorongan yang sangat kuat untuk menarik napas. Bagian otak yang berperan dalam mengatur pernapasan adalah bagian medula oblongata (Gambar 7.5). Ketika kandungan O₂ dalam darah sedikit, medula oblongata akan mengirimkan impuls kepada otot tulang rusuk atau diafragma untuk berkontraksi.

Gambar 7.5 Bagian otak yang berperan dalam mengatur pernapasan adalah medula oblongata.

Ketika darah banyak mengandung CO₂, pH darah akan mengalami perubahan. Perubahan pH ini dideteksi oleh medula oblongata. Sebagai respons, medula oblongata mengirimkan impuls pada otot tulang rusuk untuk berkontraksi lebih cepat atau lebih pendek sehingga volume rongga dada menjadi lebih besar dan napas menjadi lebih dalam. Dengan demikian, lebih banyak oksigen yang dapat diikat oleh darah dalam kapiler. Selain medula oblongata, bagian lain dari sistem saraf yang ikut mengatur pernapasan adalah bagian pons varoli di otak. Pada umumnya, laju pernapasan sesuai dengan laju penambahan karbon dioksida dalam darah atau laju pengurangan oksigen dalam darah dan jaringan. Hal tersebut dipengaruhi oleh jenis aktivitas. Ketika melakukan aktivitas berat, kita akan terengah-engah. Hal tersebut terjadi karena peningkatan metabolisme dalam jaringan, terutama otot sehingga terjadi peningkatan kadar karbon dioksida dalam darah.

Gambar 7.6 Struktur hemoglobin

4. Fase Pertukaran Udara di Jaringan Tubuh dan Paru-paru. Pada prinsipnya, pertukaran gas yang terjadi di jaringan tubuh dan paruparu terjadi secara difusi mengikuti perbedaan tekanan. Udara yang sampai alveoli memiliki tekanan O₂ yang lebih tinggi dan tekanan CO₂ yang lebih rendah dibandingkan dengan darah dalam pembuluh arteri yang melewati alveoli. Jika tekanan udara 1 atmosfer (760 mmHg), dan volume O₂ adalah 21%, tekanan parsial O₂ (PO₂) di udara bebas adalah 0,21 x 760 mmHg, yaitu sekitar 160 mmHg. Sementara itu, tekanan parsial CO2 (PCO2) diketahui adalah sekitar 0,23 mmHg. Akibatnya, O₂ dari udara berdifusi melewati epitel alveoli dan kapiler ke dalam darah di dalam kapiler (Campbell, 1998: 845).

Dalam darah, oksigen diikat oleh hemoglobin. Hemoglobin adalah protein yang terdiri atas hemin dan globin. Hemin memiliki unsur besi (Fe) yang menjadi pusat dari molekul hemoglobin. Dalam unsur besi ini, terjadi pengikatan oksigen (proses oksigenasi) sehingga terbentuk oksihemoglobin (HbO2). Setiap molekul hemoglobin dapat mengikat 4 molekul O2 (Gambar 7.6). Namun, kemampuan mengikat oksigen ini bergantung pada tekanan oksigen (tekanan udara) di lingkungan luar.

Gambar 7.7 pertukaran gas di jaringan tubuh dan paru-paru terjadi secara difusi mengikuti perbedaan tekanan.

Pada saat yang bersamaan dengan difusi oksigen, terjadi juga difusi CO₂ dengan arah yang berlawanan, yaitu dari darah ke udara dalam rongga alveoli. Ketika darah meninggalkan kapiler di alveoli, darah tersebut telah memiliki tekanan O₂ yang lebih tinggi dan tekanan CO₂ yang lebih rendah. Jantung memompa darah dari paru-paru ke seluruh tubuh. Pertukaran gas di dalam jaringan terjadi dengan prinsip yang sama dengan yang telah diuraikan sebelumnya. Jaringan (sel) memiliki tekanan CO₂ yang lebih tinggi dan tekanan O₂ yang lebih rendah dibandingkan dengan darah. Penumpukan CO₂ terjadi sebagai akibat dari metabolisme sel. Perbedaan tekanan menyebabkan oksigen dalam darah dilepaskan dari oksihemoglobin. Karbon dioksida dalam sel akan berdifusi keluar darah. Akibat perbedaan tekanan parsial dan kelarutan, kurang dari 5% CO₂ akan tetap berada dalam sel. Di dalam darah, CO₂ dapat bereaksi dengan H₂O dan membentuk asam karbonat (H₂CO₃). Asam karbonat juga dapat berdisosiasi menjadi asam bikarbonat (HCO₃^–) dengan melepaskan satu atom H⁺. Atom hidrogen tersebut kemudian ditangkap oleh hemoglobin. Sebagian kecil CO₂, yaitu sekitar 30%, berikatan dengan salah satu protein dalam hemoglobin. Sementara itu, 65% CO₂ diangkut dalam bentuk ion HCO₃^– melalui proses berantai yang disebut dengan proses pertukaran klorida. Dengan bantuan enzim karbonat anhidrase dalam eritrosit, CO₂ bereaksi dengan H₂O membentuk asam karbonat (H₂CO₃). Asam karbonat dapat berdisosiasi menjadi asam bikarbonat (HCO₃^–) dengan melepaskan satu atom H⁺. Asam bikarbonat akan keluar dari eritrosit ke plasma darah. Kedudukan ion bikarbonat akan digantikan oleh ion Cl^–. Dinamika pengikatan dan pelepasan antara asam karbonat dan ion Cl^– dengan ion H⁺ menyebabkan perubahan pada sistem buffer pada darah dan turunnya pH darah. Reaksinya sebagai berikut.

H₂O + CO₂ → H₂CO₃ → HCO₃^– + H⁺

Ketika darah sampai ke paru-paru, terjadi reaksi yang sama hanya saja dengan arah yang berlawanan.

HCO₃^– + H⁺ → H₂CO₃ → H₂O + CO₂