Biofísica do Sistema Respiratório

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Biofísica do Sistema Respiratório 
Funções: 
 Oxigenar o sangue e remover CO2 do mesmo. 
 Transferência de calor para fora e dentro do corpo. 
 Produzir sons. 
Componentes do aparelho respiratório: 
Vias aéreas: boca, cavidades nasais e faringe (que estão conectadas à traqueia por meio da laringe). 
Traqueia: se bifurca nos brônquios -> bronquíolos -> alvéolos 
Pulmões: envolvidos pela pleura visceral; ocupam 4/5 da cavidade torácica. 
Parede torácica: é uma estrutura elástica que em combinação com os movimentos do diafragma 
promove variações de volume da cavidade torácica (pele, tecido, arcos costais, esterno, clavícula, coluna 
dorsal, ligamentos, músculos, pleura parietal, vasos e nervos). 
Músculos da inspiração: diafragma, intercostais externos e acessórios. 
Músculos da expiração: abdominais e intercostais internos. 
 
Gás -> fluido 
O ar é fluido, e escoa nas vias áreas, que são cilíndricas, podendo haver escoamento laminar ou 
turbulento. 
Só haverá fluxo de ar se houver variação de pressão. 
Q = (P1 – P2)/R 
R = (8 η L)/(π r4) 
P = F/A 
Associação de resistência 
No sistema respiratório há maior predominância do fluxo transicional, porque nas vias áreas há mais 
bifurcações e constrições. 
 
Os brônquios de médio tamanho fornecem a maior resistência à passagem do ar. 
 
Mecânica respiratória: 
Só há fluxo quando há diferença de pressão -> o ar flui, pois há diferença de pressão entre os pulmões 
e o meio externo. 
O ar sempre flui do local de maior para o de menor pressão. 
O ar entra nos pulmões quando a pressão é menor que a pressão atmosférica: processo de inspiração. 
O ar sai dos pulmões quando a pressão é maior que a pressão atmosférica: processo de expiração. 
Q = (p1 – p2) / r 
Nesse sistema, usa-se a pressão relativa à pressão atmosférica. Se a pressão for negativa, ela vai ser 
menor que a pressão atmosférica. Se a pressão for positiva, ela vai ser maior que a pressão 
atmosférica. 
O corpo muda a pressão nos pulmões aumentando e diminuindo seu volume. 
↑ volume ↓ pressão 
↓ volume ↑ pressão 
Durante a inspiração o volume dos pulmões aumenta devido a contração do diafragma e expansão da 
caixa torácica. O volume aumenta, a pressão cai e o ar entra nos pulmões. 
Durante a expiração o diafragma relaxa, a caixa torácica volta ao tamanho original. O volume 
diminui, a pressão aumenta e o ar sai dos pulmões. 
Complacência e elastância: 
Quando a elastância (constante de mola) é grande -> mais difícil deformar (alta resistência para 
deformar) -> menos elástico -> menor a complacência. 
Por outro lado, quando a elastância é pequena -> mais fácil deformar -> mais elástico -> maior a 
complacência. 
Podemos usar como sinônimo de complacência -> distenbilidade. 
A complacência do pulmão diminui conforme o volume aumenta. 
 
Interações adesivas e coesivas: 
Interações entre moléculas podem ser atrativas ou repulsivas. Interações atrativas entre moléculas do 
mesmo tipo são chamadas coesivas e entre moléculas diferentes são chamadas adesivas. 
Interações adesivas e coesivas nos fluidos dentro e fora do pulmão também tem papel importante na 
respiração. 
Os pulmões são revestidos externamente pela pleura 
visceral e a face interna da caixa torácica pela pleura 
parietal. Existe entre elas o espaço intrapleural, no qual 
um fluido, o líquido pleural, exerce forças adesivas. Os 
pulmões estão em contato com a caixa torácica através desse 
líquido. 
São essas forças que permitem que os pulmões acompanhem 
o movimento da caixa torácica e assim mudem seu volume 
para controlar a pressão e, portanto, a entrada e saída de ar. 
A pressão entre os pulmões e a caixa torácica aumenta e diminui, mas sempre permanece negativa -> 
essa pressão é chamada pressão intratorácica. Ela varia entre a inspiração e a expiração. 
A pressão intratorácica deve ser subatmosférica (negativa) para manter os pulmões expandidos. Ela 
contribui para que os pulmões se comportem como uma bexiga semicheia, ou seja, que é fácil inflar. É 
uma interação adesiva. 
 
Pneumotórax: pode ter várias causas. É grave, pois, em todas 
as situações levam a pressão intratorácica a ficar igual a pressão 
atmosférica, ou seja, ela não vai ser mais ser subatmosférica. 
Com isso, o pulmão não se infla e sofre colabamento, murchando 
totalmente um pulmão ou os dois. 
 
Tensão superficial: 
Forças coesivas em líquidos atuam no sentido de contrair o mesmo para fazer sua área a menor 
possível – formando gotas – a superfície desse líquido está então sob uma tensão que é chamada 
tensão superficial. 
A. Cancelamento simétrico das forças de atração 
intramolecular. Há atração para todos os lados, não existindo 
uma força resultante atuando sob a molécula. 
B. Na superfície, a simetria é destruída, então não há o 
cancelamento (equilíbrio) das forças na superfície. Existe uma 
força resultante para dentro. Existe uma força que vai tentar 
diminuir o tamanho desse líquido, levando a essa tensão 
superficial. 
A tensão superficial é uma propriedade que só existe entre duas fases, como por exemplo, ar e água. 
A tensão superficial que atua no líquido que forma uma superfície esférica é: 
T = P.r/2 
↓ raio ↑ pressão 
Em vítimas de enfisema pulmonar, muitos alvéolos da pessoa se juntam para formar poucos e grandes 
alvéolos. Como quanto maior o raio, menor a pressão -> quando uma pessoa com enfisema expira, 
seu alvéolo cria uma menor pressão em relação à atmosférica e a quantidade de ar que sai é menor 
que o normal. 
Surfactante 
É uma substância que reduz a tensão superficial. Ele redispersa as moléculas da superfície, que 
passam a atrair menos moléculas de água. 
 
 
Doença da membrana hialina: 
A tensão superficial pode ser tão grande que é difícil fazer o alvéolo inflar. Esse problema chamado 
doença da membrana hialina ocorre mais em recém-nascidos. Esses bebês tem falta de surfactante 
e por isso respiram com grande esforço. O surfactante nos pulmões tem o papel de controlar (reduzir) 
a tensão superficial. Isso também acontece com vítimas de afogamento, a água aumenta a tensão 
superficial nos alvéolos. 
Surfactante e os alvéolos: 
O surfactante faz dos alvéolos como se fosse um balão já inflado. Torna-se fácil colocar ar dentro 
deles. 
Se não fosse o surfactante os alvéolos se comportariam como as bolhas de sabão e os alvéolos 
menores entrariam em colapso. O surfactante atua conforme a área do alvéolo: 
Quanto menor o alvéolo -> maior o papel do surfactante (mais concentrado) -> reduz bastante a 
tensão superficial -> reduz bastante a pressão. 
Quanto maior o alvéolo -> menor o papel do surfactante (menos concentrado) -> reduz menos a 
tensão superficial -> reduz menos a pressão. 
Isso faz que alvéolos maiores e menores tenham aproximadamente a mesma pressão e trabalhem 
então cooperativamente. 
Interação entre o sistema respiratório e circulatório: 
Se você colocar uma gota de corante em água, ela se espalhará até a cor ficar uniforme: isto é 
difusão. 
Primeira lei de Fick: a direção da difusão é sempre da maior para a menor concentração. A taxa 
(fluxo) de difusão é diretamente proporcional à diferença de concentração entre as regiões. 
C = m/V e CM = n/V - J = Δm/Δt = -DA Δc/Δx 
Fluxo de soluto difundido pela área a num intervalo de tempo é proporcional ao gradiente (linear) de 
concentração. D é o coeficiente de difusão e depende da natureza do soluto e temperatura. O sinal 
menos indica que o fluxo é no sentido contrário ao gradiente de concentração. 
A velocidade dessas moléculas depende da massa e da temperatura. É maior para moléculas menores 
e altas temperaturas. 
Sangue passando pelos capilares adjacentes aos alvéolos trocam gases por difusão através das 
paredes dos capilares e dos alvéolos. A difusão de gases entre o ar nos pulmões e o sangue é da 
região de maior para a menor concentração e a taxa de difusão é maior quando a diferença de 
concentração é maior. 
Pressõesparciais – Lei de Dalton: 
Como a concentração relativa é que determina a direção do gás, é conveniente expressar 
numericamente as concentrações de gás. 
Se uma mistura de gases ocupa um volume, a pressão parcial de um gás é definida como a pressão 
que ele exerceria sobre o recipiente sozinho se somente ele ocupasse o recipiente -> Lei de Dalton 
das pressões parciais. 
Normalmente se expressa em termos de porcentagem. A pressão total equivale a 100% então se diz 
que um gás é responsável por x% da pressão total. 
Exemplo: A atmosfera é composta por diversos gases. Podemos dizer que a pressão parcial do 
oxigênio na atmosfera é 20% da pressão total. Se a pressão total da atmosfera é 760 mmHG, a 
pressão parcial de oxigênio é 20%(760) = 150 mmHG. Normalmente expressamos pressão parcial 
como pO2 = 150 mmHG. 
Pressões parciais – Lei de Henry: 
A Lei de Henry diz que cada pressão parcial de cada gás é diretamente proporcional a sua 
concentração e pode ser usada para medir sua concentração. 
Assim, podemos usar medidas de pressão parcial para ver como ocorre a difusão e as trocas de gás 
entre os capilares e alvéolos. 
Por exemplo: 20% das moléculas na atmosfera são de oxigênio, então a pressão parcial da atmosfera 
é 20% da pressão total ou pO2 = 150 mmHG. 
Se nos pulmões pO2 = 105 mmHG e no sangue pO2 = 40 mmHG, a concentração de oxigênio nos 
pulmões é muito maior que no sangue e o oxigênio será transferido para o sangue que é o local de 
menor concentração e menor pressão. 
Interação entre o sistema respiratório e circulatório: 
O gás sempre flui do local de maior para o de menor pressão. 
A pressão parcial de oxigênio nos pulmões é menor que a atmosférica. 
A pressão do gás carbônico é maior. 
 
Medidas de pO2 e pCO2 podem indicar presença de problemas e doenças.