Biofísica da Respiração UNEB

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Prof. Marcos Viana – Biofísica da Respiração 
BIOFÍSICA DA RESPIRAÇÃO 
Prof. Marcos Viana Bomfim 
Depto Ciências da Vida 
UNEB – Campus I – Salvador 
E-mail: mvbomfim@yahoo.com.br 
 
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Introdução 
 
Seres vivos - uso de oxigênio: 
 - Aeróbios e Anaeróbios; 
 – Difusão x Respiração. 
 
Volume ou massa do biossistema – aparelho respiratório 
 
Ciclo - 2 hemiciclos:troca rápida O2 x CO2 
(inspiração e expiração) 
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Sistema Respiratório 
 
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Fundamentos Básicos 
 
 Lei dos Gases e Suas Aplicações Biológicas 
 
 • 4 estados da matéria* 
• No estado gasoso: forças de repulsão maiores que atração; 
• Parâmetros para definir um gás: 
 - Volume, pressão e temperatura. 
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Pressão - Equivalência de unidades: 
 
• 1 Torriceli = 1 mmHg 
• 1 Pascal = 7,5 x 10-3 torr 
• 1 Torriceli = 1,33 x 102 Pascal 
• 1 Pascal = 9,9 x 10-6 atmosferas 
• 1 atmosfera = 1,01 x 105 Pascal 
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CNTP - referência indispensável 
 
• Temperatura: 0º C ou 273 K 
• Pressão: 1 atm ou 760 mmHg 
• Volume: 22,4 litros 
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a) Lei de Boyle-Mariote (volume x pressão) 
“O volume de um gás é inversamente proporcional à 
pressão, mantida constante a temperatura”. 
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Exercício: Na inspiração, há 
uma diminuição de 5 mmHg 
na pressão intrapulmonar. 
Qual a variação do volume 
de 0,5 l de ar que entra no 
pulmão se a pressão 
externa é 700 mm Hg? 
V = 0,504 litros ou 4 cm3 
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b) Lei de Gay-Lussac-Charles (volume x temperatura) 
“O volume de um gás é diretamente proporcional à 
temperatura absoluta, mantida a pressão constante”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Permite calcular variação de volume gás ao entrar ou 
sair do pulmão. 
V1T2 = V2T1 
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Exercício: Durante a atividade física um atleta 
inspira 0,5 litro de ar a 20º C , cuja 
temperatura intrapulmonar é de 37ºC. Haverá 
aumento ou diminuição de volume? Caso haja 
aumento ou redução, qual será a variação de 
volume? 
V = 0,53 litros ou 30 ml 
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c) Lei Geral dos Gases (combina as 2 leis anteriores) 
P V = n R T 
 
R = 8,3 J.mol-1.K 
 
Exercício: Qual o volume ocupado por um mol de gás 
ideal em condição Normal de Temperatura e 
Pressão (CNTP)? 
 
 V = 22,4 litros 
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d) Lei de Dalton (pressão 
total - pressão parcial) 
 
“A pressão total de uma 
mistura de gases é 
igual à soma parcial da 
pressão de cada 
componente”. 
 
PT = P1 + P2 + P3 +.. + Pn 
Pat = PN2 + PO2 + PH2O + PCO2 +Pg 
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e) Lei de Henry (vol. gás dissolvido em líquido) 
 
 “O volume de um gás dissolvido em um líquido é 
proporcional `a pressão do gás sobre o líquido, 
a um fator de solubilidade e ao volume”. 
 
 Vd (ml) = P . f. V(l) 
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Exercício: Qual o volume de O2 que se dissolve 
em 250 ml de H2O sob pressão de 100 torr, a 
37oC? 
 
 
 Vd = 0,725 ml de O2 
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Estrutura do aparelho respiratório 
 
• Caixa ósseo muscular (costelas, esterno, m. intercostais e 
diafragma) 
• Pleura Visceral 
• Pleura Parietal 
• Espaço Inter-pleural 
• Traquéia  brônquios  bronquíolos  ducto alveolar  saco 
 alveolar  alvéolos 
• Músculos da Inspiração: Diafragma (forma de cúpula) 
 Intercostais externos 
 Grande Peitoral 
• Músculos da Expiração: Musculatura da parede abdominal 
 Musculatura da parede torácica (triangular do 
 esterno e intercostais internos) 
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Sistema Respiratório 
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Respiração Externa e Interna 
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Inspiratórios Expiratórios 
Músculos da Respiração 
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Mecânica Respiratória 
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Movimentação dos Pulmões 
 
Expansão pulmonar e Pressão inter-pleural 
 
 
Pulmões permanecem expandidos (-2 cmH2O a – 5 cmH2O) 
 
Inspiração:  volume pulmonar  pressão inter-pleural 
 (- 4 cmH2O a – 8 cmH2O)   pressão intra-alveolar. 
 
Obs: Em exercício ou doenças obstrutivas: 
 Pressão pleural(-135 cmH2O) 
 
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Ciclo Respiratório 
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Movimento classicamente Ativo 
Mecânica Respiratória: 
 
Inspiração: 
 
 Ação dos músculos diafragma e intercostais externos; 
  Amplitude dos arcos costais (“Alça de balde”); 
 Aumento do volume torácico interno; 
 Pressão intra-torácica ou interplural ( -5 cmH2O a - 8 
cmH2O ); 
 Pressão alveolar reduzida; 
 Entrada de ar. 
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Movimento classicamente Passivo 
Mecânica Respiratória: 
 
Expiração: 
 
 Prensa abdominal (compressão exercida pelas vísceras); 
 Rebaixamento dos arcos costais; 
 Redução do volume torácico interno; 
 Pressão alveolar positiva; 
  Pressão intra-torácica ( -2 cmH2O a - 4 cmH2O ); 
 Saída de ar. 
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Ventilação Pulmonar 
FORÇA MUSCULAR RESPIRATÓRIA 
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Escoamento de ar nas vias aéreas: 
F = P..r4 
 8. . L 
 (P) e (r4) – favorecem o fluxo 
 (L) e () – oferecem resistência 
 
R = 8. . L 
 .r4 
•  raio em 20%,   Resistência a metade; 
• Uso de broncodilatadores (aminofilina, teofilina); 
• Fluxo Laminar: Respiração tranqüila; 
• Fluxo Turbilhonar: Dispnéia e vibrações sonoras; 
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Estrutura e Função do Aparelho Respiratório 
 
a. Ventilação: 
 * Inspiração; 
 * Expiração 
b. Difusão; 
c. Perfusão. 
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Difusão X Perfusão 
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Alteração na Pressão Interpleural: Pneumotórax 
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Sistemas de drenagem 
Classificação quanto ao: 
– Método de manutenção 
 do sentido de circuito: 
- Selo de água 
- Valvulares 
Pneumotórax 
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Volumes e Capacidades Pulmonares 
 
Mecânica respiratória - 4 volumes e 4 capacidades 
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Determinação dos Volumes e Capacidades 
Pulmonares: 
Espirometria 
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No traçado é possível determinar: 
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Técnica da Diluição do He 
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Fórmula para calcular a CPT: 
C1V1 = C2VS 
 VS = V1 + V2 
 C1V1 = C2 (V1 + V2) 
 V2 = V1 (C1 - C2) / C2 
 
Os dados do traçado ao lado 
permite determinar os 4 volumes e 
as 4 capacidades pulmonares: 
VC= 0,5 a 3,0 l ; VRI= 3,3 l 
VRE= 1,0 l CV = 4,8 l ; 
CI = VC + VRI = 0,5 + 3,3 = 3,8 l 
Espirometria 
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Fórmula para calcular a CT:C1V1 = C2VS 
 VS = V1 + V2 
 C1V1 = C2 (V1 + V2) 
 V2 = V1 (C1 - C2) / C2 
 
 
2 a parte: O paciente respira em um espirógrafo contendo 6 
litros de He a 10%. Ao fim de 3 minutos a concentração de 
He se equilibra em 5%. Calcula-se CT, VR e CRF. 
 CT = V2 = V1 (C1 - C2) / C2 = 6.(10-5) / 5 = 6 litros 
 VR = CT -CV = 6,0 - 4,8 = 1,2 l 
 CRF = VRE + VR = 1,0 + 1,2 = 2,2 l 
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Relação entre os Parâmetros Pulmonares e 
 a Fisiopatologia Respiratória 
 
 
a. Volume Corrente (VC) - Exercícios físicos VC aumenta as expensas 
de VRI e, se necessário, do VRE. 
b. Volume de Reserva Inspiratório (VRI) - Diminui quando VC 
aumenta. Elasticidade pulmonar e performance muscular do tórax. 
c. Volume de Reserva Expiratório (VRE) - Força de compressão dos 
músculos torácicos e do diafragma. Fonação. 
d. Volume Residual (VR) - Capacidade espacial do tórax e seu 
conteúdo. 
 
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Relação entre os Parâmetros Pulmonares e a 
Fisiopatologia Respiratória 
 
e. Capacidade Inspiratória (CI) - Volume medido com 
maior precisão que VRI. 
 
f. Capacidade Residual Funcional (CRF) - Grande 
importância fisiológica: eliminação CO2. Está entre os 
dois hemiciclos. CRF pequena - trocas insuficientes. 
 
g. Capacidade Vital (CV) - Limite físico do VC. CV 
expiratória - doenças obstrutivas. 
 
h. Capacidade Total (CT) - proporcional a massa 
corpórea. 
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Parâmetros Pulmonares na Expiração Forçada 
1- Capacidade expiratória Forçada (CEF): 
 Volume expirado de modo rápido e intenso disposto num traçado volume-
tempo, após inspiração máxima.  5,0 litros 
2- Volume Expiratório Forçado no primeiro segundo (VEF1,0): 
 Volume expirado no primeiro segundo, nas mesmas condições anteriores. 
  4,0 litros 
3- Razão VEF1,0 / CEF – Normal: 80% ; 
  80% - doenças pulmonares obstrutivas. 
  VEF1,0 e da Razão VEF1,0 / CEF: doenças pulmonares restritivas 
4- Fluxo Expiratório Forçado entre 25 e 75% (FEF25-75%): 
 dúvidas quanto a razão entre VEF1,0 / CEF 
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Ventilação Alveolar 
 
1/3 usado + 2/3 trocado 
Aumenta elevando a freqüência respiratória ou volume 
corrente. 
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Complacência Pulmonar 
Relação entre pressão aplicada e a deformação 
obtida. 
Complacência = V /  P = litros / cm H2O 
Modelo do Balão de Borracha 
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Complacência Pulmonar 
 
• Sonda esofágica (minúsculo balão e manômetro) – 
Espirômetro; 
• Complacência Pulmonar = 0,20 l.cm-1H2O; 
• CP diminuída - pulmão rígido (fibroses, edema agudo); 
 
 Exercício: Um balão esofágico acusa uma pressão de 
4,6 cmH2O, para uma inspiração de 0,82 litros. 
Calcular a complacência. 
 C = 0,18 l. (cmH2O)-1 
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Tensão Superficial 
Força que une compactamente a camada monomolecular 
da superfície de um liquido. 
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Efeitos no pulmão: 
 1. Barreira à Difusão de O2 
• Depende da tensão superficial 
• Biomoléculas tensoativas (surfactantes) - fosfolípides 
• Membrana hialina RN - surfactante exógeno aerossol 
• Edema pulmonar, acidose, circulação extracorpórea, 
atelectasia e afogamento. 
 
 2. Fechamento de Alvéolos 
• Atelectasia pulmonar. 
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Patologias 
Pulmonares: 
1. Obstrutivas 
2. Restritivas 
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Lei de Laplace: 
Os alvéolos menores se esvaziam 
nos maiores que ficam mais 
doentes. 
No enfisema quando há obstrução 
nos bronquíolos respiratórios. 
Lei de Laplace: 
 
P1 = T  P2 = T 2 
 R1 R2 
 
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Enfisema Pulmonar 
1 
2 3 
4 
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Trocas Gasosas e de Vapor D’Agua 
Indivíduo respirando em atmosfera úmida de 760 torr 
De acordo com Dalton temos as seguintes pressões: 
O2 = (760 x 20) / 100  150 torr 
N2 = (760 x 79) / 100  600 torr 
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Pressão de Vapor e Respiração 
Na Terra, estado físico da água: sólida, líquida e vapor 
Depende da oferta e principalmente da temperatura 
A 1000 m a água ferve a 93oC 
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Exercício: A pressão de 
vapor em um ambiente a 
25oC é 12 mmHg (torr). 
Qual a umidade relativa? 
 
Ur = 12 / 23,8 x 100  50% 
 
Uso de nebulizadores 
ou vaporizadores!!!! 
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Aspectos Biofísicos de Transporte de Gases 
Os gases existem nos líquidos: 
1. Combinados com solutos - HbO2(aq) 
2. Dissolvidos fisicamente - N2(aq), O2(aq) 
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Exercício: Sabendo-se que o O2 está a uma pressão de 
95 torr, determine o volume de O2(aq) que será 
dissolvido em 1 litro de sangue a 37oC.(condições 
evidenciadas na figura acima). 
 
 Vd = P.f. Vl 
 
Vd = 95 . 0,029 . 1 = 0,275 litros de O2(aq) por 
litro de sangue a 37oC 
 
Quantos moles de O2 este volume representa? 
 n = PV / RT 
 
n = (760 x 1,33 x 102) x (0,275 x 10-6) / 8,3 x (37+273) 
 
n = 1,1 x 10-4 moles de O2 por litro de sangue. 
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"Quando você possui um sonho e 
se empenha em concretizá-lo ele 
já se tornou realidade." 
 
 (Sarah Kilimanjaro) 
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
• BERNE, R.M. ; LEVY, M.N. Fisiologia. Guanabara 
Koogan: Rio de Janeiro, 1990. 
• HENEINE, I. F., Biofísica Básica, Atheneu: São Paulo, 
1995. 
• HOUSSAY, B., Fisiologia Humana. Guanabara Koogan: 
Rio de Janeiro, 1980. 
• LEÃO, MOACIR DE A. C., Princípios de Biofísica, 
Guanabara Koogan: Rio de Janeiro, 2a ed., 1982. 
• OKUNO, EMICO et col., Física para Ciências Biológicas 
e Biomédicas, Harbra: São Paulo, 1992.