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Júlia Demuner - MED UVV XXIX Hematose - Aires, cap.44 e Guyton, cap.40 Depois que os alvéolos são ventilados com ar atmosférico, a próxima etapa da respiração é a difusão do oxigênio (O2) dos alvéolos para o sangue pulmonar e a difusão do dióxido de carbono (CO2) na direção oposta, do sangue para os alvéolos. Ar Alveolar e Ar Atmosférico O ar alveolar não tem as mesmas concentrações dos gases no ar atmosférico devido aos seguintes fatores: (1) o ar alveolar é substituído apenas parcialmente pelo ar atmosférico a cada respiração, (2) o O2 é constantemente absorvido pelo sangue pulmonar do ar alveolar, (3) o CO2 se difunde constantemente do ar pulmonar para os alvéolos e, por fim, (4) o ar atmosférico seco que entra nas vias respiratórias é umidificado até mesmo, antes de atingir os alvéolos. Substituição do Ar O volume do ar alveolar substituído por ar atmosférico novo a cada respiração é de apenas um sétimo do total, de maneira que são necessárias múltiplas respirações para ocorrer a troca da maior parte do ar alveolar. Esta lenta substituição do ar alveolar é de particular importância para evitar mudanças repentinas nas concentrações de gases no sangue, tornando o mecanismo do controle respiratório muito mais estável do que seria de outra forma e ajudando a evitar aumentos e quedas excessivos da oxigenação tecidual, da concentração tecidual de CO2 e do pH tecidual, quando a respiração é interrompida temporariamente. Pressão Parcial A pressão que um gás exerce em certo recipiente resulta do choque de suas moléculas de encontro às paredes desse recipiente. Se, em vez de um só gás, existir uma mistura gasosa, cada componente dela exercerá uma pressão proporcional às moléculas , ou à sua porcentagem, na mistura, sendo essa pressão que um componente X da mistura exerceria caso estivesse sozinho denominada pressão parcial, Px. A pressão parcial representa medida do número total de moléculas de determinado gás que atinge determinada área da superfície alveolar da membrana em determinado momento, ! A pressão parcial dos gases atmosféricos cai com a altitude, o ar fica mais “rarefeito”. PO2 nos Alvéolos O oxigênio é continuamente absorvido dos alvéolos pelo sangue pulmonar e o novo O2 é, também, de forma contínua, respirado pelos alvéolos, vindo da atmosfera. Quanto mais rápido o O2 for absorvido , menor sua concentração nos alvéolos, por outro lado, quanto mais rápido o O2 é respirado pelos alvéolos, vindo da atmosfera, maior fica a sua concentração. Portanto, a concentração de O2 nos alvéolos e também sua pressão parcial são controladas pela intensidade de absorção de O2 pelo sangue e intensidade de entrada de novo O2 nos pulmões pelo processo ventilatório. PCO2 nos Alvéolos O dióxido de carbono é continuamente formado no corpo e então transportado no sangue para os alvéolos, Júlia Demuner - MED UVV XXIX sendo, de modo contínuo, removido dos alvéolos pela ventilação. Esta PCO2 alveolar eleva diretamente a proporção da excreção de CO2, além disso, a PCO2 alveolar diminui na proporção inversa da ventilação alveolar (hiperventilação = reduzida PCO2 e hipoventilação = elevada PCO2). Difusão A constante de difusão é proporcional à solubilidade de determinado gás em um dado meio, e inversamente proporcional à raiz quadrada do peso molecular do gás . Tomando-se como exemplos o O2 e o CO2, observa-se que o CO2 se difunde cerca de 20 vezes mais rapidamente que o O2 pelos tecidos, porque, embora seu peso molecular seja um pouco maior, o CO2 tem enorme solubilidade nos tecidos orgânicos. No nível do pulmão, os gases, para se transferirem do alvéolo para o sangue, e vice-versa, precisam atravessar a denominada barreira alveolocapilar , formada pelo líquido que banha os alvéolos, epitélio alveolar, membrana basal do epitélio, estroma alveolar, membrana basal do endotélio e endotélio capilar. Além disso, visto que o oxigênio ainda precisa chegar à molécula de hemoglobina no interior da hemácia, poderiam ser acrescentados à barreira alveolocapilar o plasma, a membrana celular da hemácia e seu estroma. PO2 O oxigênio difunde-se dos alvéolos para o sangue dos capilares pulmonares, porque a PO2 nos alvéolos é maior do que a PO2 no sangue capilar pulmonar . O sangue passa em alta velocidade pelos pulmões mas continua sendo adequadamente oxigenado , pelo fato do aumento da área dos capilares que participam da difusão e, também, pois o sangue é saturado no 1/3 do capilar pulmonar , ou seja, o sangue normalmente permanece nos capilares pulmonares cerca de 3x mais tempo que o necessário para causar a oxigenação total. Quanto maior o fluxo sanguíneo, maior será a PO2 intersticial , pois há um aumento do O2 circulante. Já no caso do metabolismo, quanto maior a sua taxa, menor será a PO2 intersticial , pois mais O2 será difundido do sangue para os tecidos. Assim, a PO2 intersticial é determinada pela taxa de transporte de O2 para os tecidos e pela taxa de utilização de O2 pelos tecidos. ! PO2 alveolar: 104mmHg, PO2 arterial (chega nos tecidos): 95mmHg e PO2 venoso (sai dos tecidos): 40mmHg. Efeito da Mistura Venosa Como explicar o decréscimo de PO2 assinalado no gráfico? O gráfico demonstra que o sangue chega aos capilares pulmonares com PO2 de 40mmHg e, após sofrer as trocas gasosas, sai deste com 104mmHg, porém, outros 2% do sangue vem da aorta e não são expostos ao ar pulmonar , sendo denominado fluxo de derivação , um sangue que foi desviado para fora das áreas de trocas gasosas. Com isso, a mistura desse sangue com o sangue oxigenado dos capilares gera uma redução na PO2, fazendo com que o sangue bombeado à circulação sistêmica reduza para uma PO2 de 95mmHg , processo conhecido como mistura venosa do sangue . PCO2 Quanto maior o fluxo sanguíneo, maior será a PCO2 nos tecidos , pois não haverá tempo suficiente para as trocas gasosas e, consequentemente, o CO2 fica nas células. Já no caso do metabolismo, quanto maior a sua taxa, menor será a PCO2 nos tecidos , pois mais CO2 será difundido do tecido Júlia Demuner - MED UVV XXIX para o interstício. Fatores que Afetam a Difusão Além da diferença de pressão, diversos outros fatores afetam a difusão gasosa em líquido, como (1) a solubilidade do gás no líquido, (2) a área de corte transversal do líquido, (3) a distância pela qual o gás precisa se difundir, (4) o peso molecular do gás e (5) a temperatura do líquido. Além disso, modificações na forma da hemácia , como ocorre na anemia falciforme, podem acarretar aumento ou redução na difusão do gás. Transporte de Gases Quando a pressão parcial do gás é maior em uma área do que em outra, haverá difusão efetiva da área de alta pressão para a área de baixa pressão. Os gases de importância respiratória são todos muito solúveis nos lipídios e, em consequência, são altamente solúveis nas membranas celulares . Por conseguinte, a principal limitação ao movimento dos gases nos tecidos é a intensidade com que os gases conseguem se difundirpela água tecidual, em vez de através das membranas celulares. Membrana Respiratória A troca gasosa entre o ar alveolar e o sangue pulmonar se dá através das membranas de todas as porções terminais dos pulmões, e não apenas nos alvéolos, sendo estas conhecidas coletivamente como membrana respiratória. As células alveolares do tipo II contribuem indiretamente para o processo de trocas gasosas ao secretar o surfactante , um complexo de proteínas e lipídios que reduz a tensão superficial do alvéolo e evitar o colabamento alveolar. Camadas da Membrana Respiratória 1. Camada de líquido contendo surfactante que reveste o alvéolo e reduz a tensão superficial do líquido alveolar. 2. Epitélio alveolar , composto por células epiteliais finas. 3. Membranas basais fundidas: Membrana basal epitelial + Espaço intersticial + Membrana basal capilar. 6. Endotélio capilar . Fatores que Afetam a Difusão pela Membrana Os fatores que determinam a rapidez com que um gás atravessará a membrana são a espessura da membrana, a área superficial da membrana, o coeficiente de difusão do gás na substância da Júlia Demuner - MED UVV XXIX membrana e a diferença de pressão parcial do gás entre os dois lados da membrana. - Espessura da Membrana (>1,5µm): condições como edema ou fibrose podem aumentar a espessura da membrana respiratória. Com isso, visto que a difusão através da membrana é inversamente proporcional à espessura da membrana, qualquer fator que aumente a espessura pode interferir, significativamente, na troca respiratória normal de gases. Patologias como IC esquerda (retorno do líquido ao pulmão) e pneumonia (dano e inflamação na membrana respiratória) podem gerar tais fatores na membrana. - Área de Superfície da Membrana Respiratória: no enfisema , muitos dos alvéolos colapsam, ocorrendo dissolução de muitas paredes alveolares e redução da área da superfície total da membrana respiratória devido à perda das paredes alveolares. - Coeficiente de Difusão: proporcional à solubilidade do gás na membrana e, inversamente, à raiz quadrada do peso molecular do gás. - Diferença de Pressão: é a diferença entre a pressão parcial do gás nos alvéolos e a pressão parcial do gás no sangue dos capilares pulmonares. Exercício Físico No exercício, a capacidade de difusão do oxigênio aumenta até 65 ml/min/mmHg devido a: abertura de muitos capilares pulmonares, dilatação dos capilares pulmonares, maior equilíbrio entre ventilação / perfusão. Assim, no exercício, a oxigenação do sangue aumenta não só pela maior ventilação alveolar , como também pela maior capacidade difusora da membrana respiratória. Oxigênio O oxigênio é transportado no sangue sob duas maneiras, dissolvido no plasma e no líquido intracelular eritrocitário ou combinado quimicamente de modo reversível com a hemoglobina . O2 Dissolvido Os gases que entram nos capilares primeiramente se dissolvem no plasma, porém, estes representam apenas uma pequena parte do oxigênio que será fornecido às células. Quando o oxigênio se difunde dos alvéolos para o sangue, quase todo ele vai penetrar nas hemácias, onde se combina à hemoglobina. Apenas uma pequena porção permanece no plasma e no líquido intracelular eritrocitário , além de ser transportada para os tecidos em solução simples. O2 e Hemoglobina Os glóbulos vermelhos ou eritrócitos, têm um papel fundamental em garantir que o transporte de gás entre o pulmão e as células seja suficiente para atender às necessidades celulares. Sem a hemoglobina nos eritrócitos, o sangue não seria capaz de transportar uma quantidade suficiente de oxigênio para sustentar a vida. Hemoglobina A hemoglobina transporta mais de 98% do oxigênio. A hemoglobina (Hb) Júlia Demuner - MED UVV XXIX é um tetrâmero de quatro cadeias proteicas globulares (globinas), cada uma centrada em torno de um grupamento heme contendo ferro , o qual se liga fracamente ao oxigênio. Com quatro grupamentos heme por molécula de hemoglobina, uma molécula de hemoglobina tem o potencial de se ligar a quatro moléculas de oxigênio , sendo então denominada oxi-hemoglobina (HbO2). A porção polipeptídica da molécula da hemoglobina normal do adulto (HbA) é composta por quatro cadeias de aminoácidos: duas cadeias alfa e duas beta . Esta sequência desses aminoácidos é extremamente importante para determinar as propriedades da hemoglobina , pois, a hemoglobina fetal (HbF) , que é formada por duas cadeias alfa e duas gama, apresenta uma afinidade muito maior pelo oxigênio , em relação à HbA. ! Qualquer condição patológica que diminua a quantidade de hemoglobina nos eritrócitos ou o número de eritrócitos afetará de forma negativa a capacidade de transporte de oxigênio no sangue. Oxihemoglobina No sangue, o oxigênio livre para se ligar à hemoglobina está dissolvido no plasma e é indicado pela PO2 plasmática. Nos capilares pulmonares, o oxigênio alveolar dissolve-se primeiro no plasma e, então, para dentro dos eritrócitos, ligando-se à hemoglobina, que age como uma esponja, captando o oxigênio do plasma até que a reação Hb + O2 ←→ HbO2 atinja o equilíbrio. Uma vez que o sangue arterial alcance os tecidos, o processo de troca que acontece nos pulmões se inverte . O oxigênio dissolvido difunde-se dos capilares sistêmicos para as células (que têm uma menor PO2), gerando uma diminuição da PO2 que altera o equilíbrio da reação de ligação oxigênio-hemoglobina pela remoção de O2 do lado esquerdo da equação. O equilíbrio desloca-se para a esquerda , de acordo com a lei de ação das massas, fazendo as moléculas de hemoglobina liberarem as suas reservas de oxigênio. A PO2 das células determina o quanto de oxigênio é transferido da hemoglobina, pois, à medida que as células aumentam a sua atividade metabólica, a PO2 diminui e, assim, a hemoglobina libera uma quantidade maior de oxigênio. Curva de Dissociação A forma da curva de saturação da HbO2 reflete as propriedades da hemoglobina e a sua afinidade pelo oxigênio, denominada curva sigmóide . Ao olhar para a curva, observará que a uma PO2 alveolar e arterial normal (100 mmHg), 98% da hemoglobina estará ligada ao oxigênio , ou seja, à medida que o sangue passa pelos pulmões sob condições normais, a hemoglobina capta quase a quantidade máxima de oxigênio que ela pode transportar. A curva é quase plana em níveis mais elevados de PO2. Em uma PO2 acima de 100 mmHg , mesmo grandes mudanças nos valores de pressão causam apenas pequenas alterações na porcentagem de saturação da Hb . O achatamento da curva de saturação durante aumentos da PO2 também significa que esta pressão alveolar pode ser reduzida significativamente sem alterar a saturação de hemoglobina. Enquanto a PO2 nos alvéolos (e nos capilares pulmonares) permanecer acima de 60 mmHg, a hemoglobina estará mais de 90% saturada e manterá próximo do normal o transporte do oxigênio. No Júlia Demuner - MED UVV XXIX entanto, uma vez que a PO2 apresenta valores abaixo dos 60 mmHg , a curva torna-se mais íngreme, o que significa que uma pequena diminuição adicional na PO2 provocaria grande liberaçãode oxigênio . No sangue que deixa os capilares sistêmicos com uma de 40 mmHg (um valor médio para o sangue venoso de uma pessoa em repouso), a hemoglobina ainda apresenta uma saturação de 75% , isso significa que, para as células metabolicamente ativas, apenas um quarto do oxigênio ligado à Hb é liberado , assim, o oxigênio que permanece ligado serve como um reservatório que as células podem utilizar se o metabolismo aumentar. Fatores que Interferem na Ligação O2-Hemoglobina Um deslocamento na curva de saturação da hemoglobina à direita , seja pelo aumento de H+, CO2, 2,3BPG ou temperatura é chamado de efeito Bohr , uma condição que indica que, nos mesmos níveis de PO2 normais (40mmHg), a saturação está mais baixa que o normal, logo, há maior liberação de O2 para as células. Já um deslocamento na curva de saturação da hemoglobina à esquerda, seja pela diminuição de H+, de CO2, de 2,3BPG ou temperatura é chamado de efeito Haldane, uma condição que indica que, nos mesmos níveis de PO2 normais (40mmHg), a saturação está mais alta que o normal, logo, há menor liberação de O2 para as células. pH Uma situação com um esforço máximo direciona a célula para o metabolismo anaeróbio, fazendo com que as fibras musculares liberem H+ para o citoplasma e para o líquido extracelular. Como as concentrações de H+ aumentam, o pH diminui , assim, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio diminui e a curva de saturação da HbO2 desloca-se para a direita ( mais oxigênio é liberado para os tecidos ). Um deslocamento na curva de saturação da hemoglobina à direita (seja pelo aumento de H+, CO2, 2,3BPG ou temperatura) é chamado de efeito Bohr. Júlia Demuner - MED UVV XXIX 2,3 BPG O 2,3-BPG é uma substância encontrada no interior da hemácia responsável por reduzir a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio através da sua ligação à hemoglobina, com a finalidade de facilitar a liberação do oxigênio para os tecidos. A hipóxia crônica (períodos prolongados de oxigênio baixo) desencadeia um aumento na produção de 2,3-BPG nos eritrócitos e, consequentemente, diminui a afinidade da HbO2 e desloca a curva de saturação para a direita . Além disso, subir a uma grande altitude e a anemia são também duas situações que aumentam a produção de 2,3-BPG. Estrutura da Hemoglobina Mudanças na estrutura da hemoglobina também mudam a sua afinidade de ligação ao oxigênio. Por exemplo, a hemoglobina fetal (HbF) tem duas cadeias proteicas gama no lugar das duas cadeias beta, encontradas na hemoglobina de um indivíduo adulto, e a presença destas cadeias Y aumenta a capacidade da hemoglobina fetal de se ligar ao oxigênio no ambiente de baixo oxigênio da placenta. A afinidade alterada é um reflexo de uma diferença na curva de saturação da HbO2 fetal, pois, em qualquer PO2 placentária, o oxigênio liberado pela hemoglobina materna é captado pela hemoglobina fetal, visto que esta tem maior afinidade. Hipoxia Por hipoxia, entende-se a condição na qual os tecidos não recebem ou não podem utilizar O2 em quantidade suficiente para suas necessidades metabólicas normais. São quatro os tipos de hipoxia: hipóxica, anêmica, de estase e histotóxica. Hipóxica Na hipoxia hipóxica, a capacidade de oxigênio do sangue está normal, mas a PO2, a SO2 e o conteúdo de O2 encontram-se diminuídos, logo, este sangue, ao chegar aos capilares sistêmicos, não apresenta um gradiente de PO2 suficiente para impulsionar o O2 em quantidades adequadas até as mitocôndrias, nas quais ele participa da gênese de energia para a célula. A hipoxia hipóxica pode ser causada por: (a) PO2 baixa no gás inspirado, como ocorre quando é inalada Júlia Demuner - MED UVV XXIX mistura gasosa pobre em O2, ou quando a pressão barométrica está diminuída; (b) hipoventilação alveolar global, por depressão do centro respiratório, como acontece em certas doenças ou na intoxicação por alguns agentes farmacológicos; (c) doenças pulmonares com comprometimento da difusão de gases através da barreira alveolocapilar ou distúrbio da relação ventilação-perfusão, e (d) contaminação do sangue arterial com sangue venoso, como em algumas cardiopatias congênitas ou fístula arteriovenosa pulmonar. Anêmica Na hipoxia anêmica, há diminuição da capacidade de oxigênio do sangue. Nessa condição, embora a SO2 e a PO2 arteriais estejam normais, o conteúdo de O2 encontra-se diminuído e, caso não haja aumento da perfusão tecidual periférica, será maior a diferença arteriovenosa de PO2, caindo a oferta para os tecidos. Essa hipoxia é provocada pela diminuição da hemoglobina disponível para o transporte de oxigênio. Assim, tanto a anemia (em que há diminuição real da taxa de hemoglobina no sangue) quanto o impedimento da ligação do O2 com a hemoglobina (envenenamento pelo CO, metemoglobinemia etc.) podem levar à hipoxia anêmica. Estase Na hipoxia de estase, a SO2, a PO2 e o conteúdo de O2 arteriais encontram-se dentro da normalidade, porém a perfusão sanguínea dos tecidos está comprometida. Em outras palavras, essa hipoxia resulta simplesmente da permanência mais longa das hemácias nos capilares sistêmicos, devido a condições de reduzido débito cardíaco e distúrbios vasculares, com consequente maior extração de O2 por mililitro de sangue, que leva finalmente a menor oferta de O2. Histotóxica Na hipoxia histotóxica, estão normais a capacidade de oxigênio, a SO2, a PO2 e o conteúdo de O2 do sangue arterial. Como neste caso os tecidos se mostram comprometidos, não sendo capazes de metabolizar o O2, há diminuição da diferença arteriovenosa de O2, e o sangue venoso tem valores elevados para SO2, PO2 e conteúdo de O2. A hipoxia histotóxica surge tipicamente no envenenamento pelo cianeto. Cianose Entende-se por cianose a coloração azulada da pele e mucosas, gerada pelo aumento da quantidade de hemoglobina reduzida (desoxigenada), que tem uma cor muito escura, nos capilares periféricos. Ela depende apenas da quantidade absoluta de hemoglobina reduzida e não da porcentagem desta em relação à hemoglobina total do sangue, assim, quando a taxa de hemoglobina reduzida ultrapassa 5 g%, há cianose. Dióxido Carbônico O dióxido de carbono é mais solúvel nos fluidos corporais do que o oxigênio, porém as células produzem muito mais CO2 do que a capacidade de solubilização plasmática desse gás, por isso, apenas cerca de 7% do CO2 está dissolvido no plasma do sangue venoso, sendo o restante difundido para os eritrócitos. Júlia Demuner - MED UVV XXIX Transporte de CO2 A maior parte do CO2 que chega ao sangue é transportado para os pulmões sob a forma de bicarbonato dissolvido no plasma . A conversão de CO2 a HCO3 serve para fornecer uma via adicional ao transporte de CO2 das células para os pulmões e para fazer o HCO3 estar disponível para atuar como um tampão para os ácidos metabólicos, ajudando a estabilizar o pH do corpo. O CO2 dissolvido no plasma difunde-se para os eritrócitos, onde podem reagir com a água na presença da enzima anidrase carbônica, formando ácido carbônico (H2CO3) que, então,dissocia-se em um íon hidrogênio e um íon bicarbonato. A conversão do dióxido de carbono e água a H e a HCO3 continua até que o equilíbrio seja atingido. Para manter a reação ocorrendo, os produtos (H e HCO3) devem ser removidos do citoplasma por dois mecanismos: (1) Primeiro, o bicarbonato deixa o eritrócito por uma proteína de antiporte , um transporte conhecido como desvio de cloreto, responsável por permitir a troca de HCO3 por Cl nos eritrócitos e manter a neutralidade elétrica da célula. A transferência de HCO3 para o plasma torna este tampão disponível para as reações de manutenção do pH, neutralizando os ácidos produzidos pelo metabolismo. (2) O segundo mecanismo utilizado para manter as concentrações dos produtos baixas, remove o hidrogênio do citoplasma dos eritrócitos. A hemoglobina dentro do eritrócito atua como um tampão e liga o íon hidrogênio na reação H + Hb ←→ HbH, assim, se a PCO2 arterial for elevada muito acima da normalidade, a hemoglobina não consegue neutralizar todos os íons H produzidos a partir da reação do CO2 com a água. Nesses casos, o excesso de H acumula-se no plasma, levando à acidose respiratória. Remoção de CO2 nos Pulmões Quando o sangue venoso atinge os pulmões, os processos que iniciaram nos capilares sistêmicos são revertidos. A PCO2 alveolar é menor do que a do sangue venoso dos capilares pulmonares, por isso, o CO2 difunde-se do plasma para os alvéolos e a PCO2 plasmática começa a diminuir. A diminuição da PCO2 plasmática permite a difusão de CO2 dos eritrócitos para o plasma, assim, como a concentração de CO2 nos eritrócitos diminui, o equilíbrio da reação do CO2-HCO3 é modificado, fazendo a reação ser deslocada para uma maior produção de CO2: Júlia Demuner - MED UVV XXIX Efeito Haldane O efeito Haldane resulta do simples fato de que a combinação do O2 com hemoglobina, nos pulmões, faz com que a hemoglobina passe a atuar como ácido mais forte e, assim, desloca o CO2 do sangue para os alvéolos de duas maneiras: - Em primeiro lugar, quanto mais ácida a hemoglobina, menos ela tende a se combinar com o CO2, para formar carbaminoemoglobina, deslocando, assim, grande parte do CO2 presente na forma carbamino do sangue. - Em segundo lugar, a maior acidez da hemoglobina também faz com que ela libere muitos íons hidrogênio que se ligam aos íons bicarbonato para formar ácido carbônico, que, por sua vez, o se dissocia em água e CO2, e o CO2 é liberado do sangue para os alvéolos e, finalmente, para o ar. Originalmente, no estado de Desoxi-Hemoglobina (hemoglobina desoxigenada), tem-se elevada afinidade de CO2 e H+, baixa afinidade de O2, porém, após a oxigenação da hemoglobina (oxihemoglobina), as afinidades se alteram, o O2 entra nas células e eleva sua afinidade, ao passo que o CO2, sai das células para os alvéolos, reduzindo sua afinidade.
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