Biofísica da respiração

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Biofísica da respiração 
Simone Garcia Macambira 
Biofísica 
UFBA 
2014 
Atmosfera terrestre 
21% O2 
0,03% CO2 
71% N2 
8% 
Argônio 
Xenônio 
Criptônio 
Atmosfera terrestre - heterogênena 
Alterações 
& 
Adaptações 
Altitude, Pressão atmosférica e 
Pressão parcial dos gases 
Mas o que é esta pressão? 
• É força. 
 
 
 
• A força que esse gás exerce sobre a parede por 
unidade de área de parede. 
Que força? 
O que causa essa força? 
A força resulta do somatório dos choques das moléculas do gás contra a 
 parede e uma com as outras. 
> no de choques → > pressão 
Os gases exercem pressão no local 
onde presentes 
Pressão parcial dos gases - PP 
Pressão exercida por cada gás que compõe a 
mistura. 
PT = 5mmHg 
A pressão parcial exercida por um gás sobre uma superfície é proporcional a [gás] 
Qual a importância de estudarmos 
pressão parcial dos gases? 
Para compreender a fisiologia das 
gases no organismo. 
Melhorou, mas dá um exemplo! 
Pressão Parcial de O2 
↑↑ altitudes →↓↓ PO2 
(quantidade de moléculas deste gás num determinado volume de ar) 
↑↑altitudes → < volume de ar por cima de nós 
▼ 
↓"peso" desse ar por unidade de superfície (mm2) 
▼ 
↓↓pressão atmosférica → expansão das moléculas de ar 
O2 (21%) - composição da atmosfera constante 
volume de ar 
inspirado 
▼ 
 ↓↓moléculas de O2 
Nível do mar Pico da montanha 
Alterações fisiológicas devido a 
variação da pressão parcial de oxigênio 
• Alterações visuais – diplopia e redução da visão em ambientes 
escuros – hipóxia da retina e dos centros nervosos a ela associados. 
• Alterações cardíacas – aumento da freqüência da cardíaca. Angina 
em pacientes com coronariopatia. 
• Alterações neurológicas – confusão mental; incoordenação motora, 
distúrbios do comportamento. 
• Alterações respiratórias – aumento da frequência respiratória 
levando a alcalose respiratória. Maior taxa de vapor de água perdida 
pelos pulmões a ↑altitudes ►desidratação 
• Sintomas gerais – náuseas e dor de cabeça. 
• Perda da consciência. Morte por edema pulmonar e cerebral. 
Só a altitude influencia? 
E no nosso corpo? 
Pressão de outros gases? 
Pressão? 
Volume? 
Temperatura? 
Para responder a estas perguntas 
precisamos discorrer sobre as 
aplicações biológicas das leis dos 
gases. 
Leis dos gases e suas aplicações 
biológicas 
A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma da 
pressão de cada gás da mistura. 
Gás A 60% 
Pressão parcial: 60mmHg 
Gás B 40% 
 Pressão 40mmHg 
Pressão total contra a parede 
100mmHg Patm = 760mmHg 
PN2 = 760 x 71 /100 = 593mmHg 
PO2 = 760 x 21 / 100 = 159,6 mmHg 
Lei de Dalton 
No sistema biológico 
• Em uma mistura somente de gases, existe 
pressão parcial de gases, mas esta não 
determina a separação dos componentes da 
mistura. 
SOLUÇÃO 
Estado do gás 
Lei de Boylle-Mariotte 
• Volume X Pressão - temperatura constante. 
>P → <V 
Mudança de pressão que o ar sofre ao entrar e sair dos pulmões 
Lei de Boylle-Mariotte 
Inspiração 
Expansão da caixa torácica 
▼ 
↓5mmHg pressão intrapulmonar 
Pressão externa = 700mmHg 
Var inspirado = 0,5l (V1) 
P1V1=P2V2 
700 x 0,5 = 695x V2 
V2 = 0,504l 
Sistema respiratório 
Mudanças no volume 
da cavidade peitoral na 
ventilação 
Portanto, 
Gradientes de pressão 
Fluxo de ar 
Expiração 
↓ volume 
da cavidade peitoral 
↑Pressão 
Efluxo de ar 
▼ 
▼ 
▼ 
Lei Gay-Lussac-Charles 
• Volume x Temperatura –Pressão constante 
Mudança de volume que o ar sofre ao entrar e sair dos pulmões 
>T → >V 
Ar inspirado 
20ºC 
Var inspirado = 0,5l (V1) 
37ºC 
V1T2=V2T1 
0,5l x 310 = V2 x 293 
V2 = 0,53l 
2º ponto 
• Líquido e gás – a pressão parcial do gás no líquido 
será proporcional à [gás] que escapa do líquido 
Moléculas de gás projetam-se 
 sobre o líquido 
< Coeficiente de Solubilidade 
▼ 
> pressão parcial do gás na superfície do líquido 
3º ponto 
• Líquido e gás: gases ≠ em mesma concentração 
em um líquido, exercem pressões parciais 
diferentes. 
Por que? PPCO2<PPN2<PPO2 
Pressão Parcial 
↑ [gás] →↑ PP 
↑PP →↓CS 
A probabilidade de um gás escapar da mistura é diretamente 
proporcional à sua concentração e inversamente proporcional ao 
coeficiente de solubilidade (facilidade com a qual o gás se dilui). 
A pressão parcial de um gás é diretamente proporcional à sua 
concentração e inversamente proporcional ao seu coeficiente de 
solubilidade. 
Coeficiente de solubilidade 
• Determina o grau de afinidade ou repulsão 
que um gás apresenta em relação ao líquido. 
• ↓Coeficiente de solubilidade 
• Choques das moléculas de gás contra 
superfície do líquido - ↑↑fortes. 
• ↓afinidade gás-líquido 
• ↑ tendência do gás escapar 
▼ 
▼ 
Gases atmosféricos envolvidos na 
respiração 
Oxigênio – menos solúvel – transporte pela hemoglobina – PP = 100mmHg 
Gás carbônico – dissolvido no plasma – PP= 40mmHg 
> Coeficiente de difusão - > dinâmica 
Lei de Henry 
“ O volume de um gás dissolvido em um líquido 
é proporcional à pressão parcial do gás sobre o 
líquido, a um fator de solubilidade e ao volume 
do líquido.” 
 
Vd = P x f x V1 
Volume dissolvido 
Pressão 
Fator de solubilidade 
Volume de líquido 
Gases em solução 
Resume 
A quantidade de gás que se dissolve em uma solução depende de sua solubilidade 
e da pressão parcial do gás se assumirmos uma temperatura constante. 
∆P 
Coef. solubilidade 
Temperatura cte 
↓Solubilidade – 0,024 
≠[ O2] 
↑Solubilidade – 0,570 
↓≠[ CO2] 
↑ [gás] →↑ PP 
↑PP →↓CS 
Lei de Graham 
A difusão de um gás é inversamente 
proporcional a raiz quadrada de sua massa 
molecular 
Sistemas 
biológicos 
Sistema respiratório 
ESTRUTURA E FUNÇÃO 
Vias aéreas superiores: 
Boca, nariz, seios paranasais, faringe 
 e laringe. 
 
SEIOS PARANASAIS 
seios frontais - seios maxilares - seio 
esfenoide - seio etmoide 
Funções: deixam o crânio mais leve - 
facilita a postura ereta - dão ressonância a 
voz - protege o cérebro do trauma frontal. 
ESTRUTURA E FUNÇÃO 
• Vias aéreas inferiores: árvore traqueobronquial 
e pulmões 
 
 
Traqueia 
Brônquios 
principais ( D e E) 
Brônquios 
lobares (3D e 2E) 
Brônquios 
segmentares 
Bronquíolos 
terminais 
Bronquíolos 
respiratórios 
Ductos 
alveolares 
Sacos alveolares 
Ar contido em cada pulmão em um adulto – 2.500 a 3.000 ml. 
Suprimento Sanguíneo 
• Circulação pulmonar: 
 Transporta o sangue venoso até os capilares pulmonares, onde o CO2 é 
expelido para dentro dos alvéolos para ser eliminado na expiração e o O2 é 
absorvido para dentro dos capilares para seguir na circulação sistêmica. 
 
• Circulação brônquica: 
 Origina-se na aorta e provê nutrição para o parênquima pulmonar. 
 Aproximadamente 1/3 do sangue retorna ao átrio direito pelas veias 
brônquicas, enquanto o restante drena para o átrio esquerdo pelas veias 
pulmonares 
 
 
Músculos da respiração 
Mecânica Respiratória 
• Pulmões expandidos pressão - espaço interpleural. 
∆Ppleural = -4 a -8 cmH2O 
↓Ppleural 
-4 a -8cmH2O 
↑Ppleural 
-2 a -4cmH2O 
Componente 
pulmonar 
elástico 
∆P na respiração 
↑↑Volume da caixa torácica 
↑Fluxo de ar 
Neurônios motores somáticos 
Componente elástico 
↑↑Pulmões distendidos 
↑Força para retração 
Pressão atmosférica 
Pleura 
• Espaço pleural – água e sais 
↑Força de adesão /coesãomoléculas de H2O – superfície pleural 
Difícil separar 2 camadas unidas 
por uma película de água é difícil 
↑Resistência às forças aplicadas 
perpendicularmente 
Fluidez 2 superfícies unidas pela película líquida 
deslizam com facilidade quando submetidas a 
esforços longitudinais. 
 Pleura 
Componente pulmonar 
elástico - distensão 
Componente pulmonar 
elástico - retração - = Pipleural -3mmHg 
↑Vcaixa torácica ↓Vcaixa torácica 
Pneunotórax 
Pneumotórax 
• Trauma mecânico 
• Defeito congênito 
• Infecção 
Correção do pneumotórax 
• Retirada do ar – sucção 
• Fechamento da cavidade 
 
Componente elástico da 
respiração 
• Contração dos músculos inspiratórios – energia 
para acelerar o ar no interior das vias aéreas e 
vencer a resistência ao fluxo gasoso, resistência dos 
elementos elásticos do pulmão e a tensão 
superficial do líquido intra-alveolar. 
• Equação de Hooke – dependência força elástica e 
estiramento. 
• A deformação é proporcional ao esforço. 
Complacência pulmonar 
 
 É a propriedade que um corpo oco tem de aumentar de volume quando 
submetidos a pressão. 
 A mudança do volume pulmonar que resulta de mudança de 1cmH2O na 
pressão de distensão do pulmão - 0,2 L/ cm H2O. 
 Fibrose cística - ↓complacência – doença restritiva 
 
 
 
 
 
 
 
DPOC 
No enfisema, a DPOC de fumantes e associada à destruição dos septos alveolares e 
do leito capilar sanguíneo, o pulmão está mais complacente, Isto é, para cada 1 cm 
H2O de aumento da pressão o aumento do volume é maior do que em pulmões 
normais. 
Cp = ΔV / P 
Trocas gasosas 
Efeito Bohr 
Transporte de H+ 
Tecido Pulmão 
Tamponamento 
↓pH → ↓afinidade Hb-O2 
Efeito Haldane 
 Transporte de CO2 
Hb + O2 → ↓ afinidade CO2 
Hb – O2 → ↑afinidade CO2 
> P CO2 → ↓ afinidade O2 
< P CO2 → ↑afinidade O2 
O fenômeno “tensão superficial da 
água”é derivado das pontes de 
hidrogênio da superfície da água. 
Tensão superficial 
Moléculas de água formam pontes de 
 hidrogênio em todas as direções. 
A que isto se aplica? 
Tensão superficial 
Em nosso corpo temos a interface/mistura gás-
líquido no sangue sistêmico e nos pulmões a 
nível de capilares e alvéolos pulmonares. 
A biofísica aplicada à tensão superficial dos 
alvéolos pulmonares nos permite compreender 
a difusão dos gases entre estes compartimentos 
diferentes. 
 
• Fenômeno derivado das pontes de hidrogênio 
da superfície da água 
 
Tensão superficial 
No meio da massa de água, 
as forças produzidas pelas 
pontes de hidrogênio se 
anulam 
As pontes de hidrogênio 
da superfície da água dão 
 origem a tensão superficial 
da água. 
Tensão superficial 
Resistência à distensão pulmonar 
• Força que existe na superfície de líquidos em 
repouso, determinada pela coesão entre as 
moléculas do líquido. 
• A tensão superficial só existe na interface 
entre 2 meio diferentes: líquido-gás 
Como reduzir esta tensão 
superficial? 
• Detergente: sal composto por longa cadeia 
apolar de dezenas de carbonos (cauda) e uma 
extremidade polar que se liga à água 
• Molécula anfipática 
• Detergente age como competidor dos sítios 
polares das moléculas de água 
– ↓ Tensão superficial 
Tensão superficial na solução 
detergente 
O que o detergente tem para 
enfraquecer as pontes de 
hidrogênio da água? 
Qual a aplicação clínica disso? 
Molécula anfifílica 
ou 
Molécula anfipática 
Moléculas tensoativas 
Reduzir a tensão 
superficial 
Dipalmitoilfosfatilcolina 
Surfactante 
Tensão superficial alveolar e surfactante 
Tensão superficial – força de atração entre as moléculas de líquido ao alvéolo 
Tensão superficial ►Pressão de colapso 
Surfactante ► ↓ tensão superficial 
 
Aplicação clínica 
Fina camada de água em sua 
superfície interna. 
Tensão superficial suficiente 
para causar colabamento. 
 
Inspiração 
Surfactante – substância tensoativa 
↓tensão superfcial da água 
Inspiração 
Presente em todas as espécies que respiram 
através de pulmões 
Composição: 
◦ Fosfolipídios 
◦ Lipídios neutros 
◦ Ácidos graxos 
◦ Proteínas 
Produção: o surfactante pulmonar é sintetizado 
na célula epitelial pulmonar do tipo II 
Armazenamento: como unidades pré-formadas, 
nos corpúsculos laminares do citoplasma 
Surfactante pulmonar 
• Principal causa de morbidade e mortalidade no 
período neonatal 
• Progressiva atelectasia e insuficiência respiratória em 
prematuros 
• Principal causa de deficiência de surfactante nesta 
população é a falta de fosfatilglicerol (PG). 
• ↓Complacência 
• Ventilação artificial 
• Aerosol de surfactante 
Doença da Membrana Hialina (DMH) ou 
Síndrome do Desconforto Respiratório (SDR) 
Obrigada!