Biofísica geral do sistema respiratório

Olá pessoal, hoje eu trago apontamentos biofísicos gerais do sistema respiratório:

Questões: sistema respiratório

1) Descreva brevemente os dois mecanismos envolvidos na mecânica da ventilação pulmonar.

 2) Calcule o volume da ventilação alveolar por minuto de Antônio, levando em consideração que, aos 72 anos, ele apresenta um volume corrente de 460mL, espaço morto de 180mL e uma frequência

ventilatória de 10 ciclos/min.

 3) Compare os fatores que afetam a velocidade de difusão dos gases respiratórios na água, nos tecidos e na membrana respiratória.

 4) Comparando as diferenças de pressão de O₂ e CO₂ presentes nos capilares alveolares e no ar alveolar, descreva o sentido de difusão desses gases.

 5) Descreve o efeito BOHR e HALDANE no transporte de O₂ e CO₂.

 A respiração tem como objetivos o fornecimento de oxigênio aos tecidos e a remoção do dióxido de carbono. Ela é dividida em quatro eventos funcionais:

• Ventilação pulmonar: renovação cíclica do gás alveolar pelo ar atmosférico;
• Difusão de O₂ e CO₂ entre os alvéolos e o sangue;
• Transporte no sangue e nos líquidos corporais: O₂ (dos pulmões para as células); CO₂ (das células para os pulmões);
• Regulação da ventilação.

 A mecânica da ventilação pulmonar ocorre por:

• Movimentos do diafragma para cima e para baixo;
• Elevação e abaixamento das costelas pelos músculos intercostais.

Pressões que causam a ventilação pulmonar:

 

 O pulmão é uma estrutura elástica que colapsa como um balão e expele todo o ar pela traqueia toda vez que não há força para mantê-lo inflado. O pulmão flutua na cavidade torácica, cercado por uma fina camada de líquido pleural que lubrifica o movimento dos pulmões dentro da cavidade.

• Pressão pleural: é a pressão do líquido no estreito espaço entre a pleura visceral e a pleura parietal, há uma leve sucção entre os folhetos, o que significa uma discreta pressão negativa. Durante a inspiração normal, a expansão da caixa torácica traciona os pulmões para fora com uma força maior e cria mais pressão negativa;
• Pressão alveolar: é a pressão do ar dentro dos alvéolos pulmonares. Devido a um influxo de ar para os alvéolos, a pressão em seu interior deve cair para um valor ligeiramente abaixo da pressão atmosférica, durante a inspiração normal. A pressão alveolar diminui cerca de -1 centímetro de água (cmH₂O);
• Pressão transpulmonar: é a diferença entre a pressão alveolar e a pressão pleural.

Complacência pulmonar:

 É o grau de expansão que os pulmões experimentam a cada unidade de aumento da pressão transpulmonar. Pessoa de porte mediano possui complâcencia pulmonar de 200mL/cmH₂O. 

 O diagrama de complacência pulmonar relaciona as alterações do volume pulmonar às

mudanças da pressão transpulmonar. Cada diagrama é determinado pelas forças elásticas dos pulmões: força elástica do tecido pulmonar propriamente dito e forças elásticas causadas pela tensão superficial do líquido que reveste as paredes internas dos alvéolos.

 As forças elásticas do tecido pulmonar são determinadas principalmente pelas fibras elastina e colágeno. 

Princípio da tensão superficial: 

 A superfície da água está tentando se contrair. Isto resulta numa tentativa de forçar o ar para fora do alvéolo através do brônquio e, ao fazer isso, induz o alvéolo a colapsar. O efeito geral é causar uma força contrátil elástica de todo o pulmão, que é chamada de força elástica de tensão superficial. 

O surfactante e seus efeitos na tensão superficial: 

 É um agente ativo de superfície na água, o que significa que ele reduz bastante a tensão superficial da água. O surfactante é uma mistura complexa de vários fosfolipídios, proteínas e íons. Estes compostos são responsáveis pela redução da tensão superficial.

Pressão em alvéolos ocluídos causada pela tensão superficial: 

 Se as vias aéreas que levam aos alvéolos pulmonares estiverem bloqueadas, a tensão superficial no alvéolo tende a colapsá-lo. Isto cria um tensão positiva alveolar na tentativa de empurrar o ar para fora, assim a pressão gerada pode ser calculada da seguinte forma:

Efeito da caixa torácica na expansibilidade pulmonar:

 O trabalho de inspiração pode ser dividido em três frações: 

• Aquela necessária para expandir os pulmões contra forças elásticas do pulmão e do tórax, chamada de trabalho de complacência ou trabalho elástico;
• Aquela necessária para sobrepujar a viscosidade pulmonar e das estruturas da parede torácica, chamada trabalho de resistência tecidual;
• Aquela necessária para sobrepujar a resistência aérea ao movimento de ar para dentro dos pulmões chamada de trabalho de resistência das vias aéreas.

Volumes pulmonares:

 Quatro volumes pulmonares quando somados são iguais ao volume máximo que os pulmões podem expandir.

• O volume corrente é o volume de ar inspirado ou expirado em cada respiração normal; a quantidade é de cerca de 500mL no homem adulto;
• O volume de reserva inspiratória é o volume extra de ar que pode ser inspirado acima do volume corrente normal quando uma pessoa inspira com força total; geralmente cerca de 3.000mL;
• O volume de reserva expiratório é o máximo volume extra de ar que pode ser expirado numa expiração forçada após o final de uma expiração corrente normal; normalmente cerca de 1.100mL;
• O volume residual é o volume de ar que fica nos pulmões após a expiração mais forçada; este volume é de cerca de 1.200mL.

Capacidades pulmonares:

• A capacidade inspiratória é igual ao volume corrente mais o volume de reserva inspiratório. É a quantidade de ar que a uma pessoa pode respirar, começando em nível normal e distendendo o pulmão a uma quantidade máxima (3.500mL);
• A capacidade residual funcional é igual ao volume de reserva expiratória mais o volume residual é quantidade de ar que permanece nos pulmões no final de uma expiração nos pulmões no final de uma expiração normal; (2.300mL);
• A capacidade vital é igual ao volume de reserva inspiratória mais o volume corrente mais o volume de reserva expiratória. É a quantidade máxima de ar que uma pessoa pode expelir dos pulmões após primeiramente enchê-los à sua extensão máxima (4.600mL);
• A capacidade pulmonar total é o volume máximo que os pulmões podem ser expandidos com o maior esforço (5.800mL). É igual a capacidade vital mais o volume residual. 

Ventilação alveolar:

 A ventilação pulmonar pode renovar continuamente o ar nas áreas de trocas gasosas dos pulmões, onde o ar está em proximidade com a circulação sanguínea pulmonar. Essas áreas incluem: alvéolos, ductos alveolares, sacos alveolares e bronquíolos respiratórios. A velocidade com que o ar novo alcança essas áreas é chamada de ventilação alveolar.

Espaço morto e seu efeito na ventilação alveolar:

 Parte do ar que uma pessoa respira nunca alcança as áreas de trocas gasosas porque simplesmente preenche as vias respiratórias onde não ocorrem trocas como o nariz, a faringe e a traqueia. Este ar é chamado de ar do espaço morto porque ele não é útil para as trocas gasosas. 

 Na expiração, o ar do espaço morto é expirado primeiramente, antes de qualquer ar dos alvéolos

alcançar a atmosfera. É desvantajoso para a remoção dos gases expiratórios dos pulmões. Em um homem jovem é de 150mL.

Intensidade da ventilação alveolar:

 A ventilação alveolar por minuto é o volume total do ar fresco que penetra nos alvéolos a cada minuto.  É a frequência respiratória multiplicada pela quantidade de ar fresco que entra nos alvéolos a cada inspiração. 

VA = f x (VT – VD)

Exemplo:

Volume corrente = 500mL 

Espaço morto = 150mL

Frequência ventilatória = 12 ciclos/min 

VA = f x (VT – VD) 

VA = 12 x (500-150) = 4200mL/min

Difusão dos gases:

 Os gases com importância na fisiologia respiratória são moléculas simples, capazes de se moverem livremente umas por entre as outras. Essa movimentação recebe o nome de difusão.

 A fonte de energia é a própria energia cinética das moléculas. A direção da difusão do gás ocorre da área de maior concentração para a área de menor concentração.

 A pressão total de um gás é diretamente proporcional à concentração desse gás. 

Pressão parcial do gás:

 Considerando uma mistura de gases: 760mmHg, 79% nitrogênio e 21% oxigênio.

• 79% de nitrogênio, 760mmHg (600mmHg);
• 21% de oxigênio, 760mmHg (160mmHg).

Pressões de gases dissolvidos em líquidos:

 Determinada pela concentração e o coeficiente de solubilidade do gás. 

Pressão = [gás dissolvido]/coeficiente de solubilidade 

Coeficientes de solubilidade:

O₂ = 0,024

CO₂ = 0,57

CO = 0,018

N₂ = 0,012

He = 0,008

Difusão de gases entre a fase gasosa e o sangue:

 Obedece a diferença de pressões do gás: difusão do sentido de maior concentração para o de menor concentração do gás. 

Ciclo respiratório: inspiração e expiração

Pressão de vapor da água:

 Pressão que as moléculas de água fazem para escapar da superfície. Dependente da temperatura.

• A 37°C corresponde a 47mmHg;
• A 0°C corresponde a 5mmHg;
• A 100°C corresponde a 760mmHg.

Difusão de gases nos tecidos:

• Os gases respiratórios têm grande solubilidade em lipídios;
• Solúveis em membranas celulares;
• Velocidade de difusão nos tecidos = água.

Composição do ar alveolar:

 A composição do ar atmosférico é diferente do ar alveolar:

• Ar alveolar é parcialmente substituído a cada ciclo;
• Oxigênio é constantemente absorvido;
• CO₂ é constantemente difundido do sangue para os alvéolos;
• O ar atmosférico é umidificado.

Velocidade de renovação do ar alveolar:

 Capacidade residual funcional dos pulmões é de 2.300mL. Apenas 350mL de ar fresco são renovados, são necessário muitos ciclos para substituição do ar. 

Pressão de O₂ e CO₂ nos alvéolos:

Concentração e pressão dos gases:

• O₂: velocidade de absorção pelo sangue; velocidade que o novo O₂ entra nos pulmões pela ventilação;
• CO₂: velocidade de excreção de CO₂; diretamente proporcional à ventilação.

Ar expirado:

 Parcela de ar do espaço morto + parcela de ar alveolar.

Unidade respiratória:

 Composta por bronquíolo respiratório, dutos alveolares, átrios e alvéolos.

• Paredes dos alvéolos extremamente finas e com extensas redes de capilares;
• Lençol de sangue em movimento;
• Gases alveolares ficam muito próximos do sangue;
• Trocas gasosas ocorrem através de todas as membranas das porções terminais dos pulmões;
• Membrana respiratória ou membrana pulmonar.

Membrana respiratória:

• A espessura da membrana é de 0,2 a 0,6µm;
• A área total da membrana de um adulto é de 70m²;
• A quantidade total de sangue nos capilares pulmonares é de 60-140mL;
• O diâmetro médio dos capilares é de 5µm;
• Hemácias passam apertadas.

Velocidade de difusão gasosa na membrana respiratória:

 Depende de:

• Espessura da membrana respiratória;
• Área da membrana respiratória;
• Coeficiente de difusão do gás na membrana;
• Diferença de pressões entre os dois lados da membrana.

Capacidade de difusão na membrana respiratória:

 Volume de gás que se difunde através da membrana a cada minuto, para uma diferença de pressões de 1mmHg. 

Capacidade de difusão para O₂ e CO₂:

• O₂: Homem jovem – 21mL/min/mmHg. Exercício - 65mL/min/mmHg;
• CO₂: 20X maior que O₂. Repouso400-450mL/min/mmHg.

Aspectos biofísicos do transporte de gases:

 Efeito Bohr: quando Hb se liga ao O₂, ela libera a próton (H+) e quando desliga o O₂ ela incorpora próton (H+).

 Efeito Haldane: quando a Hb liga-se ao O₂, sua afinidade pelo CO₂ diminui e quando a Hb desliga-se do O₂ sua afinidade pelo CO₂ aumenta. Assim, em meio de maior pressão de CO₂, a afinidade de O2 diminui, em meio de menor pressão de CO₂, a afinidade pelo O₂ aumenta.

 Esses efeitos são coadjuvantes no transporte de H+ e CO₂:

• Nos pulmões, o mecanismo da combinação com O₂ torna a Hb mais ácida e tem duas consequências: Hb mais ácida libera o CO₂ ligado a ela; Hb mais ácida libera muito H+ para o plasma sanguíneo -> se ligam ao HCO₃- -> H₂CO₃ -> H₂O + CO₂ -> que é liberado do sangue;
• Nos tecidos, a Hb libera o O₂ e se combina com maior afinidade ao H+ e CO₂.