Sistema Respiratório Humano

Prévia do material em texto

Sistema Respiratório 
A  principal  função  do  sistema  respiratório  é  promover  a  troca  gasosa 
contínua  entre  o  ar  inspirado  e  o  sangue  da  circulação  pulmonar, 
fornecendo  oxigênio  (O2)  ao  sangue  e  removendo  deste  o  dióxido  de 
carbono (CO2) produzido como metabólito nos tecidos e órgãos do corpo 
humano (Figura 1).  
 
Figura 1. Diagrama esquemático da função primordial do sistema 
respiratório humano. 
O sistema  respiratório consiste dos pulmões, das vias aéreas condutoras 
(laringe,  traquéia,  brônquios,  bronquíolos  e  alvéolos),  da  vasculatura 
pulmonar, dos músculos respiratórios, e dos tecidos e estruturas à volta. 
Pulmões 
Há dois pulmões no peito do ser humano; um à direita, constituído de três 
divisões incompletas denominadas lobos; e um à esquerda, constituído de 
apenas dois lobos, para prover espaço para o coração. O pulmão direito é 
responsável por 55% do volume  total de gás  inspirado e o esquerdo por 
45%. Ambos se dividem em segmentos bronco‐pulmonares (dez à direita, 
nove à esquerda) que compõem as divisões da via aérea entre a traquéia e 
os alvéolos (Figura 2). 
 
Figura 2. Divisões das vias aéreas pulmonares. 
O tecido pulmonar é esponjoso devido às cavidades preenchidas com gás 
denominadas alvéolos, que são as estruturas terminais para as trocas de 
gás. Há  em  torno de 250  a 350 milhões de  alvéolos  em um pulmão de 
adulto,  com  uma  área  superficial  alveolar  total  de  50  a  100  m2 
dependendo do grau de insuflação do pulmão. 
Vias aéreas condutoras 
O  ar  é  transportado  da  atmosfera  para  os  alvéolos  entrando  pelas 
cavidades nasais e oral, escoando pela  faringe e a glote e, na seqüência, 
para dentro da traquéia. Na entrada da traquéia, se encontra a laringe, um 
tubo  fibromuscular  de  10  a  12  cm  de  comprimento  e  1,4  a  2  cm  de 
diâmetro.  A  traquéia  termina  em  uma  bifurcação,  denominada  carina, 
onde se divide nos brônquios direito e esquerdo, os quais apresentam um 
suporte  cartilaginoso  em  suas  paredes.  Fibras  musculares  capazes  de 
controlar o diâmetro das passagens aéreas são  incorporadas nas paredes 
dos brônquios. 
Os  brônquios  se  subdividem  em  sub‐brônquios,  os  quais  se  subdividem 
em bronquíolos e estes, por sua vez, se subdividem e assim por adiante 
até que se alcance o nível alveolar, com cada via aérea sendo considerada 
se dividir em duas sub‐vias. Em um humano adulto, considera‐se que há 
aproximadamente 23 subdivisões, ou gerações, que se iniciam na traquéia 
e terminam nos alvéolos (Figura 2). 
O movimento de gases nas vias respiratórias ocorre primordialmente por 
convecção na região compreendida entre o nariz  (ou boca) até a décima 
quinta  geração  de  bifurcações.  Além  da  décima  quinta  geração  de 
bifurcações, a difusão de gás se torna relativamente mais relevante. Com 
as baixas velocidades que ocorrem em processos de difusão, as dimensões 
do espaço no qual a difusão ocorre (espaço alveolar) deve ser pequena de 
maneira  a  proporcionar  um  fornecimento  adequado  de  oxigênio  nas 
paredes; alvéolos menores são mais eficientes na transferência de gás que 
os maiores. 
Alvéolos 
Alvéolos  são  estruturas  através  das  quais  gases  difundem  para  o  corpo 
(O2) e do corpo  (CO2). As paredes alveolares são extremamente  finas de 
modo a garantir que a  troca de gases ocorra eficientemente. A  troca de 
gases que ocorre nos alvéolos é denominada hematose (Figura 3). 
 
Figura 3. Representação da troca de gases nos alvéolos. 
Uma  vez que as paredes alveolares  são extremamente  finas, a principal 
barreira  à  difusão  de  gases  ocorre  no  plasma  e  no  nível  de  células 
vermelhas, nas quais ocorre a reação do oxigênio com a hemoglobina cuja 
taxa  de  reação  contribui  para  estabelecer  uma  capacidade  de  difusão 
efetiva  no  processo  de  transferência  de  gases  (Figura  4).  A  difusão 
molecular dentro do  volume alveolar é  responsável pela mistura do gás 
nesta  região,  com  a  mistura  completa  ocorrendo  em  menos  que  10 
milisegundos, rápido o bastante para não limitar a difusão de gases para o 
sangue e do sangue. 
 
Figura 4. Representação esquemática da difusão de O2 nos alvéolos. 
Outro aspecto de  relevância para a operação alveolar apropriada é uma 
cobertura  fina  da  superfície  com um  surfactante.  Sem  este material, os 
alvéolos  grandes  tenderiam  a  aumentar  de  tamanho  e  os  menores 
entrariam em colapso, causando, por conseqüência, o colapso do pulmão. 
Estes surfactantes constituem‐se de lipoproteínas que são produzidas por 
células alveolares tipo II.  
A superfície alveolar é úmida e em está em constante contato com o ar. 
Sempre que a água e o ar  formam uma  interface, as moléculas de água 
são fisicamente arranjadas em um padrão particular que cria tensões em 
sua  superfície.  Devido  à  forma  esférica  e  aos  pequenos  diâmetros  dos 
alvéolos,  tensões  são  exercidas  por  moléculas  de  águas  vizinhas 
recobrindo as superfícies internas destas esferas, promovendo atração das 
paredes alveolares que eventualmente  levam ao  colapso. Ao  recobrir as 
superfícies  alveolares  e  romper  as  estruturas  de  aglomerados  de 
moléculas  de  água,  os  surfactantes  reduzem  a  tensão  superficial  e 
previnem  o  colapso  dos  alvéolos.  Devido  a  este  recobrimento  da 
superfície alveolar, quando o volume do pulmão decresce (expiração), as 
moléculas  de  surfactantes  se  agrupam  e  se  tornam  mais  efetivas  em 
reduzir a tensão superficial da água. Desta maneira, a máxima efetividade 
do surfactante coincide com o ponto no ciclo respiratório em que a tensão 
superficial nos alvéolos é maior. 
Circulação Pulmonar 
A circulação sanguínea pulmonar é peculiar no sentido de que esta ocorre 
sob  pressões  relativamente  mais  baixas  que  aquelas  das  arteríolas 
sistêmicas. Os vasos sanguíneos pulmonares, especialmente os capilares e 
vênulas,  são  constituídos  de  paredes  muito  finas  e  flexíveis. 
Diferentemente  dos  capilares  sistêmicos,  os  capilares  pulmonares 
aumentam  de  diâmetro.    Os  capilares  pulmonares  dentro  das  paredes 
alveolares  separam  alvéolos  adjacentes  com  aumentos  na  pressão 
sanguínea ou decréscimos na pressão alveolar. O escoamento de sangue 
no pulmão é, portanto,  significativamente  influenciado pela deformação 
elástica.  Embora  a  circulação  pulmonar  não  seja  significativamente 
afetada por controles neuronais e químicos, esta responde prontamente à 
condição  de  hipóxia. Há,  também,  um  sistema  de  circulação  de  sangue 
sistêmico a altas pressões em torno dos brônquios que é completamente 
independente da circulação pulmonar de baixa pressão (~3330 N/m2) em 
indivíduos saudáveis. 
Músculos respiratórios e a função respiratória 
Para  se  compreender  o  processo  respiratório,  deve‐se  primeiro 
compreender  alguns  conceitos  básicos  de  mecânica  dos  fluidos  e  de 
termodinâmica. O escoamento de um  fluido ocorre de uma  região para 
outra quando há uma diferença de pressões  entre  as duas  regiões. Um 
fluido sempre irá escoar de uma região de alta pressão para uma região de 
pressão  mais  baixa.  Portanto,  a  inspiração  (ou  inalação)  irá  ocorrer 
quando a pressão no  interior do pulmão for mais baixa que a pressão do 
ar na atmosfera que o circunda, ou seja, quando um indivíduo inspira, o ar 
se move da região de pressão mais alta, a atmosfera, para uma região de 
pressão mais baixa, o pulmão.  
Por outro  lado, a expiração ou exalação, o processo em que o ar sai dos 
pulmões, ocorre quando a pressão nos pulmões é mais alta que a pressão 
do ar atmosférico. Desta maneira, o ar irá continuar a escoar para dentro 
ou  para  fora  dos  pulmões  até  que  a  pressão  nos  pulmões  se  iguale  à 
pressão atmosférica (equilíbrio).Para entender como as diferenças de pressões são criadas nos pulmões, é 
de relevância compreender a Lei de Boyle (termodinâmica clássica). A Lei 
de  Boyle  descreve  a  relação  entre  um  volume  de  gás  e  sua  respectiva 
pressão. Por exemplo, se o volume de um recipiente originalmente cheio 
de um gás aumenta, a pressão do gás irá diminuir respectivamente e, se o 
volume diminui,  a pressão  irá  aumentar  respectivamente.  Para  respirar, 
gera‐se uma baixa pressão nos pulmões de modo que o ar atmosférico a 
uma pressão mais  alta  entre para os pulmões. De  acordo  com  a  Lei de 
Boyle,  para  baixar  a  pressão  nos  pulmões,  o  volume  dos  pulmões  deve 
primeiro ser aumentado. Um aumento no volume dos pulmões irá, então, 
criar uma  região de baixa pressão que  irá promover o movimento do ar 
atmosférico  para  dentro  dos  pulmões.  Por  outro  lado,  para mover  o  ar 
para  fora dos pulmões, o volume dos pulmões é diminuído, gerando um 
aumento de pressão e o conseqüente escoamento do ar para a atmosfera 
externa, que se encontra a uma pressão mais baixa. 
Os  músculos  envolvidos  na  promoção  de  aumentos  e  diminuições  do 
volume  dos  pulmões  são  principalmente  o  diafragma  e  os  intercostais 
externos.  O  diafragma  é  um  músculo  que  separa  a  cavidade  torácica, 
contendo o pulmão e o coração, da cavidade abdominal, contendo órgãos 
tais como os do sistema digestivo, rins, fígado e outros.  
Quando  o  diafragma  e  os  músculos  intercostais  externos  recebem  um 
sinal estimulador do centro de controle respiratório, estes se contraem. A 
contração do diafragma  faz com este se estique e empurre para baixo a 
cavidade  abdominal  e  todo  o  seu  conteúdo.  A  contração  dos músculos 
intercostais externos promove um aumento no diâmetro ântero‐posterior 
do tórax pela expansão da caixa torácica para cima e para fora. Tanto as 
ações  do  diafragma  quanto  a  dos  intercostais  externos  levam  a  um 
aumento no volume do pulmão e, como conseqüência, a uma diminuição 
na pressão do mesmo  (Figura 5). Devido ao  fato da expansão do volume 
pulmonar requerer uma contração muscular para promover a  inspiração, 
este é, portanto, um processo ativo que requer energia na forma de ATP. 
 
(a)          (b) 
Figura 5. Ações da (a) contração e (b) relaxação do diafragma e dos 
intercostais externos no aumento e diminuição do volume pulmonar 
durante a respiração. 
Em  contrapartida,  a  expiração  é  um  processo  tipicamente  passivo  por 
envolver somente a relaxação do diafragma e dos intercostais externos. As 
relaxações do diafragma e dos  intercostais externos os  fazem  retornar à 
forma original relaxada, diminuindo o volume do pulmão. Como resultado, 
o  ar  nos  pulmões  é  pressurizado  e  escoa  para  fora  dos  mesmos.  Além 
disso, as propriedades elásticas dos tecidos pulmonares e da caixa torácica 
ajudam a retornar estas estruturas aos seus estados de repouso. 
A expiração pode se tornar um processo ativo, requerendo energia, como 
no caso de execução de atividades físicas intensivas, tais como ao praticar 
algum  esporte  ou  simplesmente  correr.  Nestes  casos,  um  conjunto  de 
músculos  denominados  intercostais  internos  será  ativado,  contraindo‐se 
de  modo  a  diminuir  o  volume  da  caixa  torácica  e  expulsar  um  maior 
volume de ar na expiração. 
   
Escoamento de ar nas vias respiratórias 
Escoamento no nariz 
O nariz é  responsável pelo  condicionamento e  avaliação  sensorial do  ar 
antes  deste  penetrar  nos  pulmões.  Em  uma  pequena  distância,  o  nariz 
aquece, umidifica, e  filtra o ar de modo eficiente, ao mesmo  tempo que 
exerce uma  função olfatória. A olfação normal depende da presença de 
moléculas  odoríferas  bem  como  de  estimulação  e  processamento 
neurológico. A  compreensão da  fisiologia nasal  e o desenvolvimento de 
testes para diagnósticos de problemas nasais e da olfação são exemplos 
de  temas médicos que dependem de uma compreensão dos padrões de 
escoamento e dos mecanismos de  transporte que ocorrem nesta  região 
das vias respiratórias. 
Há duas formas de se estudar e compreender os padrões de escoamento 
de ar nas vias nasais: por meio de medições experimentais em modelos 
físicos  das  vias  nasais;  e  por  meio  de  simulações  numéricas  do 
escoamento  nestas  vias. No  caso  de  se  utilizar modelos  físicos  das  vias 
nasais, devem‐se empregar técnicas de medição de velocidades tais como 
a anemometria de  fio quente ou de  filme quente, procurando manter a 
similaridade  dinâmica  de  modo  que  os  parâmetros  adimensionais 
estudados sejam representativos das situações reais.