Sistema Respiratório

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Fisiologia da respiração

 

 

Ventilação pulmonar

 

Os pulmões estão posicionados dentro da cavidade torácica, a  qual é definida pelo gradil costal e pela coluna vertebral. Os pulmões são rodeados por vários músculos que contribuem para a  respiração. 

Ventilação (respiração).
Fonte: https://gifer.com/en/7gzj

A primeira troca na fisiologia respiratória é a ventilação ou respiração, ou seja, o fluxo de ar entre a atmosfera e os alvéolos (ou a entrada e saída de ar dos pulmões). Um único ciclo respiratório consiste em uma inspiração seguida por uma expiração. Assim, respiração ou ventilação pulmonar é composta por duas fases: 

  1. inspiração, o período no qual o ar flui para dentro dos pulmões,
  2. expiração, o período no qual o ar sai dos pulmões.

 

Ventilação: inspiração e expiração.

inspiração, que promove a entrada de ar nos pulmões, dá-se pela contração da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma abaixa e as costelas elevam-se, promovendo o aumento da caixa torácica, com consequente redução da pressão interna (em relação à externa), forçando o ar a entrar nos pulmões.

expiração, que promove a saída de ar dos pulmões, dá-se pelo relaxamento da musculatura do diafragma e dos músculos intercostais. O diafragma eleva-se e as costelas abaixam, o que diminui o volume da caixa torácica, com consequente aumento da pressão interna, forçando o ar a sair dos pulmões.

Lembrando que a ventilação pulmonar é um processo mecânico que depende de modificações do volume da cavidade torácica. 

Músculos da ventilação (usados na respiração).
Fonte: SILVERTHORN, D.U. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. 5ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Os músculos da respiração e a parede torácica são componentes essenciais do sistema respiratório. Os pulmões não são capazes de insuflarem a si próprios – a força para essa insuflação deve ser fornecida pelos músculos respiratórios. Todos os músculos que elevam a caixa torácica são classificados como músculos da inspiração, e aqueles que deprimem a caixa torácica são classificados como músculos da expiração. A parede torácica deve estar intacta e ser capaz de expandir para o ar entrar nos alvéolos normalmente.

Os pulmões podem ser expandidos e contraídos de duas maneiras: 

  1. por movimentos de subida e descida do diafragma para aumentar ou diminuir a cavidade torácica,
  2. pela elevação e depressão das costelas para aumentar e diminuir o diâmetro anteroposterior da cavidade torácica.

 

As interações entre os músculos respiratórios e a parede torácica na ventilação pulmonar são mostradas ao abaixo.

 

Ventilação pulmonar.
Figura: Modificações dos volumes torácicos durante a inspiração (acima) e a expiração (abaixo). A sequência de eventos da coluna da esquerda inclui as modificações de volume durante a inspiração e a expiração. A vista lateral na coluna do meio mostra as modificações das dimensões céfalo-caudal (enquanto o diafragma contrai e relaxa alternadamente) e anteroposterior (quando os músculos intercostais externos contraem e relaxam alternadamente). A visão superior da secção transversal do tórax na coluna da direita mostra as modificações da dimensão lateral em decorrência da contração e do relaxamento alternados dos músculos intercostais externos. Adaptado de: MARIEB, E. N.; HOEHN, K. Anatomia E Fisiologia. 3ª Ed. Porto Alegre: Artmed, 2009.

 

A respiração tranquila normal é realizada quase inteiramente pelo movimento do diafragma. Durante a inspiração, a contração diafragmática puxa as superfícies inferiores dos pulmões para baixo. Depois, durante a expiração, o diafragma simplesmente relaxa, e o recuo elástico dos pulmões, parede torácica e estruturas abdominais comprime os pulmões e expele o ar. 

Resumindo:

  • inspiração: contração do diafragma e dos músculos intercostais externos  diafragma abaixa e costelas elevam-se  aumento da caixa torácica  redução da pressão interna  entrada do ar.
  • expiração: relaxamento do diafragma e dos músculos intercostais externos  diafragma eleva-se e costelas abaixam  diminui o volume da caixa torácica  aumento da pressão interna  saída do ar.

 

Transporte de gases respiratórios

 

O transporte de gás oxigênio está a cargo da hemoglobina, proteína presente nas hemácias. Cada molécula de hemoglobina combina-se com 4 moléculas de gás oxigênio, formando a oxiemoglobina.

Oxiemoglobina.

 

Transporte de oxigênio.

Nos alvéolos pulmonares o gás oxigênio do ar difunde-se para os capilares sanguíneos e penetra nas hemácias, onde se combina com a hemoglobina, enquanto o gás carbônico (CO2) é liberado para o ar (processo chamado hematose). Nos tecidos ocorre um processo inverso: o gás oxigênio dissocia-se da hemoglobina e difunde-se pelo líquido tissular, atingindo as células.

O dióxido de carbono (gás carbônico) é um subproduto da respiração celular. Assim, o transporte de gases no sangue inclui a remoção de dióxido de carbono das células, bem como a entrega de oxigênio para as células. 

O CO2 difunde-se dos tecidos para o sangue, e parte dele se une à hemoglobina livre, formando um composto também instável denominado carboemoglobina.

 

Carboemoglobina.

 

Transporte de gás carbônico.

Nos pulmões, CO2 difunde-se para os alvéolos, deixando a hemoglobina livre. Enquanto praticamente todo o O2 é transportado pela hemoglobina, isto não ocorre com o CO2. As células produzem muito mais CO2 do que pode dissolver-se no plasma. Assim, o sangue transporta o CO2 dos tecidos para os pulmões sob três formas: 

(1) apenas cerca de 7-10% do CO2 transportado pelo sangue venoso são dissolvidos no plasma; 

(2) os 90-93% restantes difundem-se para os eritrócitos (hemácias), onde aproximadamente 70% são convertidos no íon bicarbonato (HCO3). Devido à presença da anidrase carbônica. O H2CO3 é  instável e rapidamente se dissocia em íons hidrogênio (H+) e íons bicarbonato (HCO3).

 

Transporte CO2 plasma.

 

(3) pouco mais de 20% (~23%) ligam-se à hemoglobina (Hb-CO2). Nesta forma, o CO2 é carregado nos eritrócitos como carboemoglobina.

 


OBS.:

Quando o CO2 se difunde para os eritrócitos, ele se combina com a água, formando ácido carbônico (H2CO3), devido à presença da anidrase carbônica. O H2CO3 é instável e rapidamente se dissocia em íons hidrogênio (H+) e íons bicarbonato (HCO3).

Apesar desta reação também acontecer no plasma, ela é milhares de vezes mais rápida nos eritrócitos pela presença da anidrase carbônica, uma enzima que reversivelmente catalisa a conversão do dióxido de carbono e água a ácido carbônico.

O H+ é tamponado (neutralizado), principalmente pela hemoglobina, enquanto o HCO3 difunde-se rapidamente para o plasma.


 

Transporte de CO2 no plasma.
Figura: Destino do CO2 na hemácia. Ao entrar na hemácia, o CO2 é rapidamente hidratado a H2CO3 pela anidrase carbônica. H2CO3 está em equilíbrio com H+ e com sua base conjugada, HCO3. H+ pode interagir com desoxiemoglobina, ao passo que HCO3– pode ser transportado para fora da célula pelo trocador aniônico. De fato, para cada molécula de CO2 que entra na hemácia, há um HCO3 ou Cl– adicional na célula. Fonte: BARRETT, K.E.; BARMAN, S.M.; BOITANO, S.; BROOKS, H.L. Fisiologia Médica De Ganong. 24ª Ed. Porto Alegre, AMGH Ed. Ltda, 2014.

 

Os íons bicarbonato transportados livres no plasma contribuem para que o pH do sangue arterial e venoso seja ligeiramente básico. Entretanto, a pequena quantidade de ácido carbônico formada no plasma, em função da união do gás carbônico com a água, é responsável por ligeira diminuição do pH do sangue venoso, que passa a ser 7,36, enquanto o sangue arterial tem pH 7,4. Nos dois casos, entretanto, o pH se mantém ligeiramente básico.

 

Nos pulmões, ocorre o processo inverso. Assim, o bicarbonato que está no plasma penetra novamente os eritrócitos (e os cloretos voltam para o plasma), se liga com o H+ para formar ácido carbônico, que em seguida é clivado pela anidrase carbônica para liberar CO2 e água. Este CO2, juntamente com o liberado da hemoglobina e o dissolvido no plasma, se difunde do sangue para os alvéolos, a favor de seu gradiente de concentração (pressão parcial).

 

Saturação da hemoglobina

 

A combinação da hemoglobina (Hb) com o oxigênio, chamada de oxiemoglobina, é escrita HbO2. A hemoglobina libera o oxigênio e passa a se chamar hemoglobina reduzida ou desoxiemoglobina, e é escrita HHb. A associação e a dissociação do O2 podem ser indicadas por uma única equação reversível.

 

Desoxiemoglobina e oxiemoglobina.

 

Associação e dissociação do O2 com a Hb.
Figura: Nos capilares pulmonares, onde a PO2 plasmática aumenta à medida que o oxigênio se difunde a partir dos alvéolos, a hemoglobina liga-se ao oxigênio. Nas células, onde o oxigênio está sendo usado e a PO2 do plasma cai, a hemoglobina libera seu oxigênio. Devido ao fato de o oxigênio ser pouco solúvel em soluções aquosas, nós precisamos ter quantidades adequadas de hemoglobina no nosso sangue para sobreviver. Fonte: SILVERTHORN, D.U. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. 5ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Após a primeira ligação de uma molécula de O2 com o ferro, a molécula de hemoglobina (Hb) modifica sua forma. Como resultado, a Hb rapidamente liga mais duas moléculas, e a ligação com a quarta molécula é ainda mais facilitada. Quando todos os grupos heme estiverem ligados aos O2, considera-se que a molécula de hemoglobina está totalmente saturada. Quando uma, duas ou três moléculas de oxigênio estão ligadas, a hemoglobina está parcialmente saturada. Seguindo o mesmo raciocínio, a liberação de uma molécula de oxigênio facilita a liberação da próxima e, assim, sucessivamente. Assim, a afinidade (força da ligação) da hemoglobina com o oxigênio é modificada pelo grau da saturação de oxigênio e, consequentemente, tanto a associação quanto a dissociação do oxigênio ocorre de forma muito eficiente.

 

Curva de dissociação da hemoglobina (Hb)

 

A proporção de oxigênio ligado à hemoglobina é expressa como percentual de saturação. Esse percentual corresponde ao conteúdo de oxigênio ligado à hemoglobina dividido pela capacidade de oxigênio da hemoglobina no sangue multiplicado por 100%. 

 

Saturação da Hb.

 

A capacidade de oxigênio de um indivíduo depende da quantidade de hemoglobina no sangue. O conteúdo de oxigênio no sangue também depende da quantidade de hemoglobina presente, bem como da pressão parcial desse gás (PO2). Tanto o conteúdo como a capacidade de oxigênio são expressos em mililitros de oxigênio por 100 mL de sangue. Por outro lado, o percentual de saturação da hemoglobina expressa apenas um percentual, e não uma quantidade ou volume de oxigênio, ou seja, o “percentual de saturação” não é o mesmo que o “conteúdo de oxigênio”. Por exemplo, dois pacientes podem ter o mesmo percentual de saturação da hemoglobina, mas, se um deles tiver uma menor concentração de hemoglobina no sangue devido a uma anemia, ele terá um menor conteúdo de oxigênio no sangue.

A relação entre a PO2 do plasma e o percentual de saturação da hemoglobina pode ser expressa graficamente como a curva de dissociação da oxiemoglobina. Como a afinidade da hemoglobina pelo O2 é modificada com a ligação do O2, a relação entre o grau de saturação de hemoglobina e a PO2 do sangue não é linear, como mostra a figura da curva de dissociação de oxigênio-hemoglobina. Esta curva apresenta um formato sigmoide e tem uma inclinação ascendente nos valores de PO2 entre 10 e 50 mmHg e, então, atinge um platô entre 70 e 100 mmHg. Observe que a curva é quase plana em níveis de PO2 maiores que 100 mmHg (isto é, a inclinação se aproxima de zero). A uma PO2 acima de 100 mmHg, mesmo grandes mudanças na PO2 causam apenas mudanças pequenas no percentual de saturação. De fato, a hemoglobina não é 100% saturada até a PO2 alcançar aproximadamente 650 mmHg, uma pressão parcial muito mais alta do que encontramos na vida cotidiana.

 

Curva de dissociação da Hb.
Figura: Curva de dissociação da hemoglobina (em relação ao oxigênio). Modificações da saturação da Hb e do conteúdo de 02 sanguíneo com as mudanças da PO2. Observe que a hemoglobina está quase completamente saturada com uma PO2 de 70 mmHg. A rápida associação e dissociação do O2 em relação à hemoglobina ocorre na faixa de valores de PO2 da porção mais inclinada da curva. Na circulação sistêmica, aproximadamente 25% do O2 ligado à hemoglobina são dissociados e liberados aos tecidos (isto é, aproximadamente 5 mL de 20 mL de O2 por 100 mL de sangue são liberados). Assim, a hemoglobina do sangue venoso está ainda aproximadamente 75% saturada com oxigênio após um ciclo através do corpo. Fonte: MARIEB, E. N.; HOEHN, K. Anatomia e fisiologia. 3ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2009.

 

Intoxicação por monóxido de carbono (CO)

 

Ministério da Saúde adverte.

O monóxido de carbono, liberado pela “queima” incompleta de combustíveis fósseis e pela fumaça dos cigarros entre outros, combina-se com a hemoglobina de uma maneira mais estável do que o oxigênio, formando o carboxiemoglobina. Dessa forma, a hemoglobina fica impossibilitada de transportar o oxigênio, podendo levar à morte por asfixia. Veja as tabelas abaixo, retiradas da prova do ENEM de 98:

 

Um dos índices de qualidade do ar diz respeito à concentração de monóxido de carbono (CO), pois esse gás pode causar vários danos à saúde. A tabela abaixo mostra a relação entre a qualidade do ar e a concentração de CO.

 

CO e qualidade do ar (Enem 98).
*ppm (parte por milhão) = 1 micrograma de CO por grama de ar 10 –6 g

 

Para analisar os efeitos do CO sobre os seres humanos, dispõe-se dos seguintes dados:

 

Concentração de CO e sintomas em humanos (Enem 98).

 

 

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