FISIOLOGIA RESPIRATÓRIA David Ferez Prof Adjunto da

FISIOLOGIA RESPIRATÓRIA
David Ferez
Prof Adjunto da Disciplina de Anestesiologia, Dor e Terapia
Intensiva da Escola Paulista de Medicina-UNIFESP.
1.
Estrutura e função
2.
Ventilação pulmonar
3.
Difusão dos gases
4.
Perfusão pulmonar
5.
Relação ventilação-perfusão
6.
Transporte de gases
7.
Controle da ventilação pulmonar
8.
Literatura consultada
1.
Estrutura e função pulmonar
Os pulmões, direito e esquerdo, têm forma grosseiramente
cônica com um ápice, uma base e três lados. Seu peso depende da
quantidade de líquido presente, em média pesa 900 gramas na
mulher e 1100 gramas no homem. O pulmão direito é ligeiramente
maior que o esquerdo e é responsável por 55% da função pulmonar
total.
O pulmão direito apresenta três lobos (superior, médio e
inferior) enquanto o pulmão esquerdo apresenta apenas dois
1
(superior e inferior). Contudo, existe correspondência do lobo médio
direito com a região do esquerdo chamada língula (figura 01).
Figura - 01 Lobos pulmonares. Superior, médio e inferior à
direita e superior e inferior à esquerda.
Na cavidade torácica a pleura visceral é uma fina membrana
de tecido conjuntivo-elástico que envolve os pulmões e suas
reentrâncias de forma independente. A pleura parietal reveste toda
a cavidade torácica em sua face interna. Em condições normais
uma quantidade mínima de líquido, menos de 10 mililitros, está
presente entre estas duas membranas. Este líquido é conhecido
como líquido pleural.
O líquido pleural é um ultrafiltrado do plasma, secretado por
linfáticos da pleura parietal e absorvido por linfáticos da pleural
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visceral. A função principal do líquido pleural é lubrificar as
superfícies do pulmão durante seu deslocamento nas fases
inspiratória e expiratória (figura 02).
Figura - 02 Pleuras parietal e visceral e suas reflexões.
Apesar dos pulmões possuírem várias funções como a
metabólica, endócrina etc, o seu principal papel é permitir que as
trocas gasosas se realizem entre o ar do ambiente e o sangue. Para
que este fenômeno ocorra com eficiência, este órgão teve que
adaptar sua estrutura a esta função.
A quantidade do deslocamento de um gás de uma região para
outra através de uma membrana, depende de algumas variáveis. As
mais importantes são a área da membrana e sua espessura.
Portanto, é de se esperar que o pulmão possua uma superfície de
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troca elevada e uma membrana muito fina. A área de troca de
gases do pulmão, área alveolar, é aproximadamente de 50 a 100
metros quadrados e a espessura da membrana entre o alvéolo e o
capilar, membrana alvéolo-capilar, é de 0,5 micrometro. Adequada
à função das trocas gasosa.
Cada pulmão contém aproximadamente 300.000.000 de
alvéolos os quais são os responsáveis primários pelas trocas
gasosas. Os alvéolos são estruturas poligonais que grosseiramente
podem ser representados como esféricos e apresentam diâmetro de
0,3 milímetros.
Chama a atenção o fato do pulmão conseguir manter uma
superfície de troca tão extensa em um volume de apenas 4 litros da
cavidade torácica. Isto se torna possível pelo sistema de dicotomia
que o sistema respiratório apresenta.
A traqueia é uma estrutura formada por anéis cartilaginosos
incompletos em forma de “U”. Na sua parte livre a cartilagem é
substituída por músculo liso. Seu epitélio é do tipo cilíndrico ciliado
com inúmeras glândulas na submucosa e vasos (figura 03).
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Figura - 03 Estruturas que compõe a traqueia e sua forma de
“U”.
A traqueia se divide nos brônquios fontes principais direito e
esquerdo. O brônquio principal direito é mais curto com apenas 2,5
centímetros e de calibre mais grosso quando comparado com o
brônquio fonte esquerdo, praticamente é uma continuação da
traqueia. O brônquio principal esquerdo é mais longo (5
centímetros) e estreito, apresenta um ângulo mais agudo com a
traqueia (figura 04).
5
Figura - 04 Divisões da traqueia, brônquios principais e
lobares.
Os brônquios fontes principais direito e esquerdo se dividem
em brônquios lobares e estes em segmentares. A dicotomia
irregular se segue em 23 gerações até os alvéolos.
Após os bronquíolos terminais (16a geração) seguem-se os
bronquíolos respiratórios (17a geração) de onde saem da parede
raros sacos alveolares. Seguindo os bronquíolos respiratórios
nascem os ductos alveolares (20a geração) que são ductos cujas
paredes são constituídas de sacos alveolares e, finalmente, tem-se
a origem dos sacos alveolares (23a geração) (figura 05).
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Figura - 05 Sistema de dicotomização da traqueia (Z0-Z1-Z2...).
BR - Brônquios
BL - Brônquios Lobares
BLT - Bronquíolos Terminais
BLT - Bronquíolos Respiratórios
DA - Ductos Alveolares
SA - Sacos Alveolares
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Quando se avança da estrutura traqueal até os alvéolos,
observa-se a perda gradual das cartilagens, glândulas secretoras e
do epitélio cilíndrico ciliar. No bronquíolo terminal não se observa
cartilagem em sua parede.
Não se observa a existência de sacos alveolares da traqueia
até os bronquíolos terminais, esta região apresenta somente a
função condutora, pois não apresenta função respiratória mas
somente a de condução dos gases. Esta região é denominada de
espaço morto anatômico e seu volume encerra 150 mililitros.
Após o espaço morto anatômico passa-se para a região
responsável pelas trocas gasosas, a zona respiratória. O volume da
zona respiratória corresponde a 2500 mililitros.
Deve-se destacar que o fluxo de gás ocorre até os
bronquíolos terminais. Após este ponto a transferência de gás é
realizada por difusão uma vez que, a somatória de toda a área de
secção transversal dos bronquíolos respiratório se eleva de forma
impressionante, diminuindo a resistência ao fluxo aéreo próximo a
ZERO (figura 06).
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Figura - 06 Gerações das vias aéreas, zona condutora e
respiratória.
A inervação pulmonar é autonômica e se faz pelos ramos do
nervo vago e simpático torácico que formam plexos anteriores e
posteriores ao hilo pulmonar de onde inervam seus vasos e
brônquios.
A irrigação pulmonar apresenta dois sistemas circulatórios
diferentes. A mais importante, a circulação pulmonar, realizada pela
artéria pulmonar, participa das trocas gasosas e supre os
bronquíolos respiratórios, ductos alveolares e sacos alveolares. O
outro sistema circulatório, a circulação brônquica, realizada pela
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artéria brônquica, supre toda a árvore traqueal até os bronquíolos
terminais e os linfonodos.
A artéria pulmonar acompanha o sistema de divisão da árvore
traqueal, que na região das trocas alveolares se multiplica em
dezenas de capilares. Estes capilares envolvem, como uma rede,
os sacos alveolares. Apresentam diâmetro aproximado de 8
micrômetros e um comprimento de 10 micrômetros. A área de seu
leito é aproximadamente igual a da área alveolar (70 a 100 metros
quadrado). O total do volume do sangue capilar é de apenas 140
mililitros. A circulação pulmonar é considerada um sistema de
elevada complacência e baixa resistência.
As vênulas se reúnem após os capilares e, no sentido inverso,
vão se agrupando até emergirem de cada pulmão duas grandes
veias que adentram pelo átrio esquerdo.
As artérias brônquicas são dois pequenos vasos que se
originam da aorta e acompanham os brônquios. A drenagem
venosa deste sangue é realizada principalmente para o sistema
venoso pulmonar, veias ázigos e hemiázigos.
O alvéolo pulmonar é constituído basicamente de dois tipos
de células: o pneumócitos tipo-1 cuja função é a de revestimento,
sendo uma célula muito delgada e o pneumócito tipo-2 que é uma
célula mais robusta, com corpos lamelares em seu interior e sua
função principal é a de secretar surfactante pulmonar (figura 07).
A estrutura conhecida como membrana alvéolo-capilar é
constituída apenas pelo epitélio alveolar (pneumócito tipo-1) e
endotélio capilar (figura 07).
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Figura - 07 Estrutura alveolar, pneumócito tipo1 e pneumócito
tipo2.
2.
Ventilação pulmonar
O movimento de líquidos e fluídos é governado pela lei de
Poiseuille. Portanto, para que exista um fluxo da atmosfera até os
alvéolos é necessário que ocorra uma diferença de pressão entre a
atmosfera e o alvéolo na fase inspiratória ,na fase expiratória ocorre
o inverso.
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ΔP .π .r 4
Φ=
η .L .8
Figura - 08 Lei de Poiseuille.
Φ - fluxo.
ΔP - variação da pressão entre as extremidades.
π - 3,14.
r - raio do tubo
η - viscosidade do gás.
L - comprimento do tubo.
Na posição de repouso do complexo toraco-pulmonar
observa-se pressão interpleural negativa. Isto se deve ao gradeado
costal que exerce uma força de expansão e ao pulmão que, ao
contrário, imprime uma força para se retrair.
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Figura - 09 Forças elásticas opostas do gradeado costal e
pulmão durante o repouso no volume da capacidade residual
funcional.
Como se pode deduzir a pressão interpleural é, nas condição
normais sempre será negativa.
Durante a fase inspiratória existe um aumento dos diâmetros
da cavidade torácica como os: laterolateral, craniocaudal e
anteroposterior (figura 10).
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Figura -10 Aumento dos diâmetros torácicos
Estes aumentos nos diâmetros ocorrem às custas de
contração muscular como: diafragma, intercostais externos e
intercartilaginosos paraesternais.. Nesta fase a pressão interpleural
torna-se ainda mais negativa.
A fase expiratória é realizada pelo relaxamento muscular e
recolhimento elástico passivo pulmonar. Nesta etapa a pressão
interpleural torna-se menos negativa. A pressão interpleural é
parcialmente transmitida aos alvéolos.
A pressão atmosférica é convencionada como ZERO. Na fase
inspiratória a pressão alveolar torna-se negativa (abaixo de zero).
Na etapa expiratória, ao contrário, a pressão alveolar fica acima de
zero (positiva). Esta mudança nas pressões alveolares gera o fluxo
inspiratório e expiratório do pulmão em conformidade com a lei de
Poiseuille.
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A pressão transmural é definida como a diferença entre a
pressão interpleural e a alveolar e dela depende a distensão dos
alvéolos durante a inspiração (figuras 11 e 12).
Figura - 11 Analogia com o complexo toraco-pulmonar com
uma bexiga inserida em um frasco e sua curva de complacência.
15
Figura - 12 Curvas da pressão interpleural, fluxo, volume e
pressão alveolar.
Como já foi visto, a distensão dos alvéolos depende da
pressão transmural. Os alvéolos centrais, distantes da cavidade
pleural, são igualmente distendidos devido a arquitetura entre os
alvéolos que favorece a transmissão das forças até aquelas regiões
(figura 13).
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Figura 13 -Interdependência alveolar.
Tabela - 1 Musculatura respiratória
músculos inspiratórios
músculos expiratórios
principais
acessórios
principais acessórios
intercostais
esternocleidomastoideo passiva
intercostais
externos
Intercartilagilagin escalenos:
osos
anterior
paraesternais
internos
abdominais:
reto
médio
oblíquos
posterior
transverso
Diafragma
A compreensão da relação entre as mudanças de pressão
transpulmonar e o volume pulmonar, que resulta na curva de
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complacência pulmonar, é de importância capital, pois estabelece
algumas características da inflação pulmonar (figura 14).
Figura -14 Curva de complacência.
A complacência toraco-pulmonar é definida como a relação
entre variação de volume e a pressão necessária para promover
aquela mudança.
Como se observa, a curva de complacência toraco-pulmonar
durante a inflação pulmonar não é a mesma que a durante a fase
de deflação. Este fenômeno é conhecido como histerese pulmonar.
Deve-se entender que a complacência toraco-pulmonar é a
somatória da curva de complacência pulmonar e a curva de
complacência do gradeado costal (figura 15).
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Figura - 15 Curva de complacência torácica e pulmonar.
A complacência pulmonar torna-se reduzida quando o pulmão
apresenta-se edemaciado, com fibrose ou nas doenças de depósito
alveolar. Nestas situações para uma mesma variação de volume é
necessária uma grande variação de pressão.
Cabe ressaltar a diferença existente entre os conceitos de
complacência estática e dinâmica.
A complacência estática envolve a relação entre o volume e a
pressão em um determinado ponto estático da curva. Não leva em
consideração a resistência ao fluxo de gases. Na complacência
dinâmica, como é obtida de forma progressiva durante a fase de
insuflação pulmonar, a resistência ao fluxo inspiratório eleva a
pressão obtida (figura 16).
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Figura - 16 Avaliação da complacência estática e dinâmica.
Os asmáticos apresentam complacência dinâmica reduzida,
entretanto sua complacência estática é próxima ao normal uma vez
que, a elevada pressão traqueal é secundária à resistência ao fluxo
de gases inspiratório.
Outro fator de importância e que influência a curva volume e
pressão é o fenômeno da tensão superficial.
Sempre que existir a interface entre um líquido e um gás
existirá uma tendência das moléculas superficiais se manterem
mais coesas uma vez que, não há moléculas na fase gasosa para
atrai-las.
Esta força de atração entre as moléculas superficiais de uma
interface líquido-gás é conhecida como tensão superficial. A tensão
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superficial induz as moléculas a manterem a menor área possível
de contato com a região gasosa. Quando este conceito é aplicado,
por exemplo, a uma bolha de sabão, observa-se que rapidamente
ela adquire a forma de uma esfera. A esfera é a figura geométrica
de menor área por unidade de volume, portanto é a menor área de
contato entre o ar interior e o seu revestimento líquido.
A pressão necessária para manter esta bolha insuflada,
opondo-se à tensão superficial, é subordinada pela lei de Lapace
(figura 17).
Figura -17 Relação da tensão superficial com o raio da esfera
(Lei de Laplace).
Devido à lei de Laplace é de se esperar que pequenas bolhas
descarreguem todo o seu conteúdo nas bolhas maiores uma vez
21
que, o raio da esfera menor imprime uma grande pressão interna,
muito maior que a da bolha de maior raio.
Esta analogia aplicada aos alvéolos pulmonares, permite o
raciocínio de que isto também poderia ocorrer nos pulmões. Os
alvéolos menores evacuariam seu conteúdo aéreo nos alvéolos
maiores. Contrariamente, os alvéolos menores são extremamente
estáveis.
A estabilidade destes alvéolos repousa na presença da
surfactante pulmonar, substância secretada pelos pneumócitos tipo2 que permite esta convivência estável entre alvéolos de raios
diferentes. A surfactante pulmonar diminuí acentuadamente a
tensão superficial dos alvéolos com raios menores em comparação
com os alvéolos de raios maiores.
A natureza exata da surfactante pulmonar é ainda
desconhecida. Contudo, a dipalmitoil-lecitina é um dos seus
principais componentes. Os efeitos deste material sobre a tensão
superficial são impressionantes. Ao se estudar o comportamento
desta substância em relação à área da superfície observa-se um
fenômeno muito interessante.
Induzindo-se a variação da área de superfície e observando a
tensão superficial, verifica-se que a tensão superficial da água é
constante. Quando se adiciona detergente existe diminuição da
tensão superficial, mas mantém-se constante. Contrariamente, a
surfactante pulmonar apresenta um comportamento diferente.
Quando a superfície é grande a tensão superficial é elevada e
quando a superfície é pequena a tensão superficial é menor.
Portanto, nos alvéolos maiores, com maior superfície, a surfactante
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seria menos efetiva na diminuição da tensão superficial. Nos
alvéolos menores, com menor superfície, a surfactante seria mais
efetiva. O fenômeno serviria para promover a estabilização dos
alvéolos menores sobre os maiores (figura 18).
Figura -18 O gráfico demonstra a relação da tensão
superficial em relação à área. Para superfícies pequenas a tensão
superficial é mínima, demonstrando uma elevada eficiência da
surfactante pulmonar em diminuir a tensão superficial. Nas áreas
maiores a tensão superficial se eleva denotando uma menor
eficiência da surfactante.
A própria arquitetura pulmonar também pode ser
responsabilizada, em parte, pela manutenção da estabilidade
alveolar, pois sempre que um alvéolo tende a entrar em colapso, é
contraposto pelos alvéolos vicinais. Contrariamente, na insuflação
em excesso de um alvéolo, seus semelhantes vizinhos se opõem a
esta distensão.
23
Figura -19 A arquitetura pulmonar contribuí para a
estabilização dos alvéolos.
As bases pulmonares recebem a maior parte do gás inspirado
na posição ereta. Existe uma maior captação deste elemento nas
bases, diminuindo à medida que nos aproximamos do ápice
pulmonar (figura 20).
24
Figura - 20 A ventilação pulmonar se faz principalmente para
a base pulmonar.
Este achado repousa no fato da base pulmonar apresentar
pressão interpleural menos negativa do que no ápice pulmonar. Isto
é secundário principalmente pelo peso pulmonar. Qualquer objeto
na posição supina requer maior pressão nas bases.
Outro ponto que reflete o fenômeno das bases pulmonares
serem mais ventiladas que os ápices e a curva de complacência
alveolar. Como já foi exposta, a curva referida é de forma sigmóide.
Como a pressão interpleural é menos negativa nas bases, pois
sofre grande influência do peso pulmonar, faz com que os alvéolos
aí situados durante o repouso tenham um volume pequeno.
Contudo, durante a inspiração, pequenas variações de pressão
interpleural ocasiona grandes variações de volume alveolar, pois
encontram-se na região ótima da curva de complacência.
Como a pressão interpleural é muito mais negativa nos ápices
pulmonares os alvéolos aí situados, durante o repouso, têm um
volume elevado. Entretanto, como se encontra na faixa ruim da
curva de complacência, grande variação de pressão provoca
pequena variação de volume, a ventilação desta região é pobre
quando comparada com as bases (figura 21).
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Figura - 21 Curva de complacência pulmonar e sua relação
com as regiões pulmonares. A base pulmonar encontra-se na faixa
ideal da curva. O ápice pulmonar encontra-se na região ruim da
curva.
Nas pequenas vias aéreas, provavelmente próximas ao
bronquíolo terminal, onde se perde o arcabouço de cartilagem, a
diminuição da pressão negativa intratorácica na fase expiratória,
associada ao peso pulmonar, provoca sequestro de parte do
volume de gás expiratório. Portanto, as regiões basais são
intensamente comprimidas e não tem todo o seu gás eliminado
durante a expiração. Este volume sequestrado é conhecido como
volume de fechamento das vias aéreas.
Como já discutido, o movimento de gases através da árvore
traqueal é subordinado à lei de Poiseuille, entretanto, esta lei só se
aplica aos fluxos laminares. Nas baixas velocidades de fluxo aéreo,
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este se apresenta com um padrão laminar. Contrariamente, nos
fluxo elevados obtém-se certa instabilidade do padrão laminar,
principalmente nas regiões de bifurcações. Na presença de fluxo
muito elevado ocorre completa desorganização do padrão laminar
levando à turbulência (figura 22).
O fluxo turbulento apresenta propriedades diferentes do
laminar, portanto não é regido mais pela lei de Poiseuille. Para um
mesmo volume conduzido através de um conduto, o fluxo turbulento
necessita de uma pressão muito mais elevada que o laminar (figura
23).
Figura - 22 Aspecto morfológico do fluxo turbulento e laminar.
27
Figura - 23 Relação entre pressão de “driving” e fluxo
(turbilhonar e laminar).
3.
Difusão dos gases
A difusão de um gás ocorre quando existe movimento das
moléculas de uma área na qual o gás exerce uma elevada pressão
parcial para outra de baixa pressão parcial.
A difusão dos gases através da membrana alvéolo-capilar fica
na dependência da lei de Fick. Esta lei estabelece que a velocidade
de transferência de um gás através de uma membrana permeável
ao gás é proporcional à área desta membrana e ao gradiente de
pressão parcial deste gás entre os lados. Estabelece também que é
inversamente proporcional à espessura desta membrana (figura
24).
28
Figura - 24 - Fatores que determinam a difusão dos gases
através de uma membrana (Lei de Fick).
Vgás =
A . Δ(P1 − P2) . Κ
T
Figura - 25 Lei de Fick.
A - Área de superfície
Δ(P1-P2) - Gradiente de pressão
K - Constante
T - Espessura da membrana
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A constante K da lei de Fick é estabelecida pela lei de
Grahan. Esta lei institui que a constante K é diretamente
proporcional à solubilidade do gás na membrana e inversamente
proporcional à raiz quadrada do peso molecular do mesmo.
Κ=
2
η
PM
Figura - 26 Lei de Grahan
η - Solubilidade do gás na membrana
PM - Peso molecular do gás
O tempo necessário para o sangue capilar passar por todo um
alvéolo é de aproximadamente de 0,75 segundos. Entretanto, em
apenas 0,25 segundos (1/3 do total) já se encontra em equilíbrio
com o gás alveolar.
4.
Perfusão pulmonar
A circulação pulmonar tem seu início na artéria pulmonar que
recebe sangue venoso impulsionado pelo ventrículo direito. Esta
30
artéria se divide em miríades de ramificações semelhantes à via
aérea. Os capilares pulmonares revestem toda a parede alveolar
formando o “leito capilar”. O sangue então oxigenado é coletado
pelas vênulas e conduzido às veias pulmonares, em número de
quatro, ao átrio esquerdo.
A circulação pulmonar, ao contrário da circulação sistêmica, é
de baixa resistência e de alta complacência. As pressões são
excepcionalmente baixas quando comparadas com as da circulação
sistêmica. A pressão média da artéria pulmonar é de apenas 15
milímetros de mercúrio sendo a pressão sistólica de 24 milímetros
de mercúrio e a diastólica de 8 milímetros de mercúrio.
Figura - 27 Pressões da circulação pulmonar.
As baixas pressões da circulação pulmonar impõem pequeno
trabalho ao ventrículo direito. O valor real da pressão capilar
pulmonar é desconhecido, mas acredita-se que seja intermediário
31
entre a pressão arterial e venosa da circulação pulmonar, portanto
aproximadamente de 8 milímetros de mercúrio.
Devido ao regime de baixa pressão e alta complacência, a
circulação pulmonar sofre grande influência da gravidade quando
comparada com a circulação sistêmica. Este padrão é, portanto,
influenciado pela postura. Na posição ereta as bases são melhor
perfundidas que as regiões apicais. Na posição supina a região
dorsal recebe o maior fluxo quando comparado com a ventral. Já na
posição lateral, o pulmão inferior é mais perfundido do que o
superior (figura28).
Figura - 28 As bases pulmonares recebem a maior parte da
perfusão pulmonar.
Os capilares pulmonares recebem pouco suporte do tecido
conjuntivo e sofrem também influências da pressão alveolar. No
32
ápice pulmonar a pressão interpleural muito negativa faz com que
os alvéolos permaneçam muito insuflados, o que comprime os
vasos justa-alveolares. O oposto ocorre nas bases, a pressão
interpleural menos negativa permite que os alvéolos desta região
fiquem menos insuflados e, portanto, não exercem compressão
sobre os vasos justa-alveolares (figura 29).
Figura - 29 Zonas de West.
Outro fato importante é que, sob baixos volumes pulmonares,
os vasos extra-alveolares encontram-se tortuosos e imprimem uma
resistência vascular mais elevada. À medida que aumenta o volume
pulmonar, os vasos retificam-se e a resistência vascular diminui.
Contudo, com volumes pulmonares ainda maiores a pressão intra33
alveolar eleva-se, induzindo ao colapso dos capilares justaalveolares. Nestas condições existe uma maior resistência vascular
pulmonar.
Estes fenômenos são os responsáveis pela variação bifásica
da resistência vascular pulmonar quando comparada com o volume
pulmonar utilizado (figura 30)
Figura - 30 Relação da resistência vascular e o volume
pulmonar utilizado.
Um elevado número de capilares pulmonares encontra-se
colapsados durante o ciclo respiratório. Quando ocorre aumento do
fluxo sanguíneo para os pulmões, estes capilares abrem-se
enquanto outros se dilatam e, naturalmente, a resistência pulmonar
34
diminui. O fenômeno é conhecido como recrutamento e distensão
vascular. Concluindo, na circulação pulmonar normal, o aumento do
fluxo sanguíneo relaciona-se com um queda na resistência vascular
pulmonar, ao contrário do que se esperaria (figura 31).
Figura - 31 Fenômenos do recrutamento e distensão vascular
da circulação pulmonar.
Vários fatores neuroquímicos também interferem na
resistência vascular pulmonar. A hipóxia alveolar é um dos mais
importantes a ser analisado. O alvéolo que não sofre ventilação
alveolar normal ou sofre ventilação alveolar com uma mistura
hipóxica possui gás alveolar pobre em oxigênio. A baixa
concentração de oxigênio causa vasoconstrição dos vasos
pulmonares daquela área na tentativa de impedir a desoxigenação
sanguínea por aquele gás.
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Várias outras substâncias influenciam a resistência vascular
pulmonar (tabela 02).
Tabela - 02
dilatadores
agonistas beta-adrenérgico
acetilcolina
agonistas h2
bradicinina
prostaglandina e1 & i2
teofilina
óxido nítrico
constritores
hipóxia
hipercarbia
agonistas alfa-adrenérgicos
agonistas h1
serotonina
angiotensina
Vários dos mediadores que induzem a vasodilatação
pulmonar relacionam-se à liberação de óxido nítrico pelas células
endoteliais da circulação pulmonar. Estes mediadores estimulam a
enzima óxido nítrico sintetase constitucional a produzir óxido nítrico
a partir do aminoácido L-citrulina, elevando os níveis celulares de
GMPc, um potente vasodilatador.
5.
Relação ventilação/perfusão
A adequação entre a ventilação e o fluxo sanguíneo dentro
das várias regiões pulmonares é critico para que ocorra uma troca
gasosa adequada.
A relação entre ventilação e perfusão pulmonar ideal é de
uma unidade, ou seja, para cada unidade de ventilação alveolar
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(mililitros/minuto) haveria uma unidade de fluxo pulmonar
(mililitros/minuto).
Os dois distúrbios da relação ventilação/perfusão (V/Q) são
conhecidos como efeito espaço morto e efeito shunt.
O efeito espaço morto ocorre sempre que a ventilação
regional é maior que a perfusão (?V/Q?), portanto a relação V/Q
maior que a unidade. Este fenômeno pode ser resumido como
alvéolos bem ventilados, contudo mal perfundidos.
O efeito shunt aparece quando a perfusão regional excede a
ventilação(?V/Q?), portanto a relação V/Q maior que a unidade.
Este fenômeno é conhecido como alvéolos mal ventilados, mas
bem perfundidos (figura 32).
Figura - 32 Efeito espaço morto e shunt.
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No efeito shunt devido a má ventilação dos alvéolos, o gás
presente em seu interior se equaliza com a pressão parcial do gás
presente no sangue venoso, antes de ocorrer seu colapso. Ao
contrário, no efeito espaço morto o gás alveolar estabiliza-se com o
gás atmosférico assemelhando-se a este.
Como foi abordado anteriormente, a base pulmonar recebe a
maior parcela da perfusão, assim como a da ventilação. Seria de se
esperar que, as relações ventilação-perfusão nas várias regiões
pulmonares fossem próximas à unidade, a base mais perfundida
recebe maior ventilação e o ápice menos perfundido recebe menor
ventilação. Este fato é o que ocorre dentro de alguns limites,
contudo a base é proporcionalmente muito mais perfundida que
ventilada ocorrendo o oposto no ápice que é muito menos
perfundido do que ventilado. Como consequência observa-se que a
razão entre a ventilação e perfusão (V/Q) é menor que um na base
e maior que um nos ápices, ou seja predomina o efeito shunt nas
bases pulmonares (V/Q) e efeito espaço morto nos ápices (V/Q).
Nas regiões intermediárias do pulmão a relação ventilação-perfusão
é perto do ideal (próximas à unidade) (figura 33).
38
Figura - 33 Relação do efeito shunt ou espaço morto nas
regiões pulmonares.
O efeito shunt é o responsável pela diminuição da pressão
parcial de oxigênio no sangue arterial. Contudo, o efeito espaço
morto não consegue promover o aumento do oxigênio naquele
sangue. O fenômeno decorre da curva de dissociação oxigêniohemoglobina é de morfologia sigmoide e encontra-se em seu platô.
Nesta faixa da curva, mesmo grandes variações da PO2 promove
pequenas variações na saturação da hemoglobina. Outro fator
determinante é que o montante de sangue nesta região (efeito
espaço-morto) é pequeno, insuficiente para compensar o efeito
shunt (figura 34).
39
Figura - 34 O efeito shunt determina hipóxia. O efeito espaço
morto não determina hiperóxia assim como não corrige a hipóxia do
efeito shunt.
6.
Transporte dos gases
O transporte de oxigênio dos pulmões até os tecidos é
simples, ocorrendo apenas de dois modos: dissolvido no plasma ou
ligado à hemoglobina.
O oxigênio dissolvido no plasma obedece à lei de Henry que
estabelece que a concentração de um gás dissolvida em um líquido
é diretamente proporcional a sua pressão parcial, a determinada
temperatura. A quantidade dissolvida no plasma de oxigênio é
proporcional à pressão parcial deste (figura 35).
40
C=K.P
Figura - 35 Equação da Lei de Henry - A solubilidade de um
gás em um determinado líquido, a determinada temperatura, é
proporcional à pressão parcial do gás sobre a solução e à constante
de solubilidade deste gás naquele líquido.
C - Quantidade do gás diluído no líquido.
K - Constante de solubilidade
P - Pressão parcial do gás
A constante de dissolução do oxigênio no plasma é de 0,003,
isto é, para cada milímetro de mercúrio da pressão parcial de
oxigênio haverá 0,003 mililitros de oxigênio em 100 mililitros de
plasma, na temperatura de 37oC. Portanto, para uma pressão
alveolar normal de oxigênio de 100 milímetros de mercúrio existirá
apenas 0,3 mililitros de oxigênio para cada 100 mililitros de plasma.
É lógico deduzir que só esta forma de transporte de oxigênio é
inadequada para os seres humanos.
O principal transporte de oxigênio dentro do sistema
circulatório dos vertebrados é muito facilitado pelas hemoglobinas
uma vez que, são extremamente adaptadas à esta função. As
hemoglobinas são proteínas conjugadas. Cada um dos quatro
grupos HEME da molécula normal de hemoglobina está ligado a
uma cadeia polipeptídica a GLOBINA. Esta cadeia polipeptídica
pode ser do tipo alfa e do tipo beta formando a hemoglobina A do
adulto (Hg A - 2 alfa / 2 beta). Existem outras hemoglobinas que
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podem ser citadas: hemoglobina fetal (Hg F), hemoglobina
falciforme (Hb S) etc.
A constante de dissolução do oxigênio na hemoglobina é de
1,34 sendo, portanto muito maior que a do plasma. A representação
gráfica da pressão parcial de oxigênio versus o teor de oxigênio na
hemoglobina é conhecida como curva de dissociação da oxihemoglobina. Esta curva tem uma morfologia sigmoide (figura 36).
Figura - 36 Curva da dissociação da oxi-hemoglobina.
Para facilitar a interpretação dos fatores que modificam a
afinidade da hemoglobina pelo oxigênio foi definido o fator P50. O
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P50 é a pressão parcial de oxigênio necessária para saturar 50% da
hemoglobina (figura 37).
Figura - 37 P50 é a pressão parcial de oxigênio necessária
para saturar 50% da hemoglobina.
Alguns fatores modificam a afinidade da hemoglobina pelo
oxigênio. Os fatores que aumentam a afinidade da hemoglobina
pelo oxigênio desviam a curva para esquerda, diminuindo o P50.
Contrariamente, os fatores que diminuem a afinidade da
hemoglobina pelo oxigênio desviam a curva para a direita, elevando
o P50.
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O dióxido de carbono é um dos fatores mais importantes
envolvidos neste fenômeno. Esse gás diminui a afinidade do
oxigênio pela hemoglobina, desvia a curva para a direita elevando o
P50 (efeito Bohr) (figura 38) (tabela 03).
Figura - 38 Fatores que modificam a curva de dissociação da
hemoglobina.
Tabela - 03
diminuição da afinidade
acidose
hipercarbia
hipertermia
aumento da afinidade
alcalose
hipocarbia
hipotermia
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aumento do 2,3-dpg
diminuição do 2,3-dpg
monóxido de carbono
O transporte total de oxigênio dos pulmões aos tecidos fica na
dependência do conteúdo de oxigênio presente no sangue (CaO2),
ou seja o ligado à hemoglobina mais o dissolvido no plasma e do
débito cardíaco (figura 39).
CaO2 = 0,003 . PaO2 + (1,34 . SaO2 . Hb)
DO2 = CaO2 . DC
Figura - 39 Transporte de oxigênio aos tecidos
DO2 - Transporte de oxigênio aos tecidos
DC - Débito cardíaco
CaO2 - Conteúdo arterial de oxigênio
PaO2 - Pressão parcial de oxigênio no plasma
SaO2 - Saturação da hemoglobina
Hg - Concentração de hemoglobina no sangue
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O dióxido de carbono é transportado dos tecidos até os
pulmões de forma mais complexa do que o oxigênio. Ele é
transferido dissolvido no plasma, como bicarbonato ou combinado
com proteínas, em especial com a própria hemoglobina na forma
de carbamino, que são ligações covalentes entre os radicais NH2
das proteínas (globina) com o dióxido de carbono (NH2-CO2).
O dióxido de carbono dissolvido no plasma também segue a
lei de Henry. A constante de dissolução do dióxido de carbono no
plasma é 0,06 (vinte vezes maior que a do oxigênio).
O dióxido de carbono transportado na forma de bicarbonato
segue a reação química: CO2 + H2O ↔ H2CO2 ↔ H+ + HCO3-. É a
forma mais importante de transporte de dióxido de carbono.
Os compostos carbamínicos são formados pela combinação
do CO2 com os grupos aminos terminais, nas proteínas plasmáticas.
Neste processo a proteína mais importante é a globina da
hemoglobina seguindo a reação química: Hb-NH2 + CO2 ↔ HbNHCOOH. A carboxi-hemoglobina tem maior capacidade de
ligações carbamino que a oxi-hemoglobina (efeito Haldane).
A representação gráfica da pressão parcial de dióxido de
carbono versus o teor de dióxido de carbono no sangue total é
conhecida como curva de dissociação do dióxido de carbono. Esta
curva tem uma morfologia mais retilínea do que a curva de
dissociação da oxi-hemoglobina (figura 40).
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Figura - 40 Curva de dissociação do dióxido de carbono.
Podem-se resumir os fenômenos envolvidos na seguinte
figura (figura 41).
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Figura 41 Modos de transporte do dióxido de carbono.
7.
Controle da ventilação pulmonar
48
A frequência, profundidade e padrão respiratório são
determinados pela contração sistemática do músculo diafragma,
músculos intercostais e outras estruturas relacionadas. A regulação
fisiológica da respiração envolve um complexo mecanismo de
reflexos. Os dois sistemas principais envolvidos são o mecanismo
neuronal e outro químico.
Para fins didáticos existe ao nível do tronco cerebral um
centro inspiratório e um centro expiratório responsável pela
ritmicidade da ventilação pulmonar. O núcleo respiratório dorsal tem
a função principalmente inspiratória sendo formado principalmente
pelo núcleo do trato solitário. O núcleo respiratório ventral é
formado pelo núcleo ambíguo e retroambíguo. O grupo respiratório
dorsal apresenta conexões com o grupo respiratório ventral (figura
42).
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Figura - 42 Núcleos responsáveis pelo controle da ventilação
pulmonar.
No grupo respiratório dorsal, observa-se eferências para o
nervo frênico que, assim, estimula a contração do diafragma. Por
outro lado, recebe aferências viscerais através do nervo
glossofaríngeo (IX) e vago (X). O IX par leva informações sobre o
PO2, PCO2 e pH obtidos através dos quimioreceptores presentes na
carótida e aorta. Já o X par leva informações sobre os receptores
de estiramento presentes nos pulmões.
O grupo respiratório dorsal é, portanto, o local primário da
gênese do ritmo respiratório. É provavelmente responsável pelo
“driving” do músculo diafragma e do grupo respiratório ventral.
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Por outro lado, o grupo respiratório ventral apresenta
neurônios com função inspiratória e expiratória.
Os centros mais superiores (centro apneustico, pneumotáxico
e córtex) modulam a ritmicidade e profundidade da ventilação
induzida pelos grupos ventral e dorsal (figura 43).
Figura - 43 Relação dos locais ablação com os ritmos
respiratórios.
O estímulo químico central da ventilação é um dos mais
importantes. O aumento da PCO2 provoca a uma diminuição do pH
liquórico que, por sua vez, estimula quimioreceptores presentes no
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tronco cerebral. Os quimioreceptores irão estimular os centros
respiratórios já descritos.
A hipóxia é também um estímulo da ventilação pulmonar,
contudo só observa-se resposta importante quando a PO2 cai
abaixo de 50 milímetros de mercúrio.
Deve-se levar em consideração que a hipercapnia
potencializa a resposta ventilatória à hipóxia (figura 44). Por outro
lado, a hipóxia também potencializa a resposta da ventilação à
hipercapnia (figura 45).
Figura - 44 Relação da resposta ventilatória e a hipoxemia.
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Figura - 45 Relação da resposta ventilatória e a hipercapnia.
8. Literatura consultada
Fisiologia Respiratória - 6ª Edição 2002 - West, John B
Tratado de Fisiologia Médica de Guyton & Hall – 11a Edição
2009 - John E. Hall
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