Biofísica da Respiração

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Biofísica da Respiração 
Profa. Fátima P. Souza 
Respiração 
Objetivos 
Fornecimento 
de oxigênio aos 
tecidos 
Remoção de 
dióxido de 
carbono 
Ventilação pulmonar 
• Renovação cíclica do gás alveolar pelo ar atmosférico 
Difusão de O2 e CO2 entre os alvéolos e o sangue 
Transporte no sangue e nos líquidos corporais 
• O2 (dos pulmões para as células) 
• CO2 (das células para os pulmões) 
Regulação da ventilação 
Dividida em 4 
eventos 
funcionais 
Anatomia do Sistema Respiratório 
Mecânica da ventilação pulmonar 
Mecanismos da 
ventilação 
Movimentos do 
diafragma para 
cima e para baixo 
Elevação e 
abaixamento das 
costelas 
* 
Pressões que causam a ventilação 
pulmonar 
O pulmão é uma estrutura 
elástica que colapsa como um 
balão e expele todo o ar pela 
traquéia toda vez que não há 
força para mantê-lo inflado. O 
pulmão flutua na cavidade 
torácica, cercado por uma fina 
camada de liquido pleural que 
lubrifica o movimento dos 
pulmões dentro da cavidade. 
Pressões que causam a ventilação 
pulmonar 
• é a pressão do líquido no estreito espaço entre a pleura 
visceral e a pleura parietal, há um leve sucção entre os 
folhetos, o que significa uma discreta pressão negativa. 
Durante a inspiração normal, a expansão da caixa 
torácica traciona os pulmões para fora com uma força 
maior e cria mais pressão negativa. 
Pressão Pleural 
• é a pressão do ar dentro dos alvéolos pulmonares. Devido a 
um influxo de ar para os alvéolos, a pressão em seu interior 
deve cair para um valor ligeiramente abaixo da pressão 
atmosférica, durante a inspiração normal. A pressão 
alveolar diminui cerca de – 1 centímetro de água. 
Pressão 
Alveolar 
• diferença entre a pressão alveolar e a pressão pleural 
Pressão 
Transpulmonar 
Pressões que causam a ventilação 
pulmonar 
Mudanças no volume pulmonar, 
pressão alveolar, pressão pleural e 
pressão transpulmonar 
durante a respiração normal 
Complacência Pulmonar 
É o grau de expansão que os 
pulmões experimentam a 
cada unidade de aumento da 
pressão transpulmonar. 
Pessoa de porte mediano 
Complâcencia pulmonar de 
200ml/cmH2O 
Diagrama de Complacência dos 
Pulmões 
Relaciona as alteração do volume 
pulmonar às mudanças da 
pressão transpulmonar. 
cada diagrama é determinado 
pelas forças elásticas dos 
pulmões: 
• Força elástica do tecido pulmonar 
propriamente dito e; 
• Forças elásticas causadas pela tensão 
superficial do líquido que reveste as 
paredes internas dos alvéolos. 
As forças elásticas do tecido 
pulmonar são determinadas 
principalmente pelas fibras 
elastina e colágeno. 
Principio da tensão superficial 
Principio da tensão superficial: A 
superfície da água está tentando se 
contrair. Isto resulta numa tentativa de 
forçar o ar para fora do alvéolo através do 
brônquio e, ao fazer isso, induz o alvéolo 
a colapsar. O efeito geral é causar uma 
força contrátil elástica de todo o pulmão, 
que é chamada de força elástica de tensão 
superficial. 
O surfactante e seus efeitos na tensão 
superficial. É um agente ativo de 
superfície na água, o que significa que ele 
reduz bastante a tensão superficial da 
água. O surfactante é uma mistura 
complexa de vários fosfolipídios, 
proteínas e íons. Estes compostos são 
responsáveis pela redução da tensão 
superficial . 
Pressão em Alvéolos Ocluídos Causadas 
pela Tensão Superficial: se as vias aéreas 
que levam aos alvéolos pulmonares 
estiverem bloqueadas, a tensão superficial 
no alvéolo tende a colapsá-lo. Isto cria um 
tensão positiva alveolar na tentativa de 
empurrar o ar par fora, assim a pressão 
gerada pode ser calculada da seguinte 
forma: 
Pressão = 2x tensão superficial 
 Raio do alvéolo 
Efeito da Caixa Torácica na 
Expansibilidade Pulmonar 
O trabalho de inspiração pode ser 
dividido em três frações: 
1) Aquela necessária 
para expandir os 
pulmões contra 
forças elásticas do 
pulmão e do tórax, 
chamada de 
trabalho de 
complacência ou 
trabalho elástico; 
2) Aquela necessária 
para sobrepujar a 
viscosidade 
pulmonar e das 
estruturas da parede 
torácica, chamada 
trabalho de 
resistência tecidual; 
3) Aquela necessária 
para sobrepujar a 
resistência aérea ao 
movimento de ar 
para dentro dos 
pulmões chamada 
de trabalho de 
resistência das vias 
aéreas. 
Volumes pulmonares 
Volumes Pulmonares: Quatro volumes 
pulmonares quando somados são iguais ao 
volume máximo que os pulmões podem expandir 
1) Volume 
corrente é o 
volume de ar 
inspirado ou 
expirado em cada 
respiração normal; 
a quantidade é de 
cerca de 500mL 
no homem adulto 
2) O volume de 
reserva inspiratória 
é o volume extra 
de ar que pode ser 
inspirado acima do 
volume corrente 
normal quando 
uma pessoa inspira 
com força total; 
geralmente cerca 
de 3.000mL 
3) O volume de 
reserva expiratório 
é o máximo 
volume extra de ar 
que pode ser 
expirado numa 
expiração forçada 
após o final de 
uma expiração 
corrente normal; 
normalmente cerca 
de 1.100ml. 
4) O volume 
residual é o volume 
de ar que fica nos 
pulmões após a 
expiração mais 
forçada; este 
volume é de cerca 
de 1.200ml. 
Capacidades pulmonares 
1) A capacidade inspiratória é igual 
ao volume corrente mais o volume 
de reserva inspiratório. É a 
quantidade de ar que a uma pessoa 
pode respirar, começando em nível 
normal e distendendo o pulmão a 
uma quantidade máxima (3.500ml). 
2)A capacidade residual funcional é 
igual ao volume de reserva 
expiratória mais o volume residual é 
quantidade de ar que permanece nos 
pulmões no final de uma expiração 
nos pulmões no final de uma 
expiração normal; (2.300ml). 
3) A capacidade vital é igual ao 
volume de reserva inspiratória mais 
o volume corrente mais o volume de 
reserva expiratória. É a quantidade 
máxima de ar que uma pessoa pode 
expelir dos pulmões após 
primeiramente enchê-los à sua 
extensão máxima (4.600ml). 
4) A capacidade pulmonar total é o 
volume máximo que os pulmões 
podem ser expandidos com o maior 
esforço (5.800ml). É igual a 
capacidade vital mais o volume 
residual. 
Volumes e capacidades pulmonares 
Ventilação alveolar 
A ventilação pulmonar pode renovar continuamente ar nas áreas de trocas 
gasosas dos pulmões, onde o ar está em proximidade com a circulação sanguínea 
pulmonar. Essas áreas incluem: 
Alvéolos 
Sacos 
alveolares 
Ductos 
alveolares 
Bronquíolos 
respiratórios 
A velocidade com que o ar novo alcança essas áreas é chamada de 
ventilação alveolar 
Espaço morto e seu efeito na 
ventilação alveolar 
A parte do ar que uma pessoa 
respira nunca alcança as áreas de 
trocas gasosas porque 
simplesmente preenche as vias 
respiratórias onde não ocorrem 
trocas como o nariz, a faringe e a 
traqueia. 
Este ar é chamado de ar do espaço 
morto porque ele não é útil para 
as trocas gasosas. 
Na expiração, o ar do espaço 
morto é expirado primeiramente, 
antes de qualquer ar dos alvéolos 
alcançar a atmosfera. É 
desvantajoso para a remoção dos 
gases expiratórios dos pulmões. 
Em homem jovem é de 150mL. 
Intensidade da ventilação alveolar 
A ventilação alveolar por minuto é o 
volume total do ar fresco que penetra nos 
alvéolos a cada minuto 
É a frequencia respiratória multiplicada pela 
quantidade de ar fresco que entra nos 
alvéolos a cada inspiração 
VA = f x (VT – VD) 
Intensidade da ventilação alveolar 
Volume 
corrente = 
500mL 
Espaço morto 
= 150mL 
Frequencia 
ventilatória = 
12 ciclos/min 
VA= f x (VT – 
VD) 
VA = 12 x (500-150) = 
4200mL/min 
Difusão dos gases 
Os gases com importância na fisiologia respiratória são 
moléculas simples, capazes de se moverem livremente 
umas por entre as outras. Essa movimentação recebe o 
nome de difusão. 
A fonte de energia é a própria energia cinética das 
moléculas. 
A direção da difusão do gás ocorre da área de maior 
concentração para a área de menor concentração. 
Difusão dos gases 
A pressão total de um gás é diretamente proporcional à 
concentração desse gás. 
Pressão parcial de gás 
760mmHg 
79% Nitrogênio 
21% Oxigênio 
79% de Nitrogênio 
760mmHg 
(600mmHg) 
21% de Oxigênio 
760mmHg 
(160mmHg) 
Considerando uma mistura de gases: 
Pressões de gases dissolvidos em 
líquidos 
Determinada pela 
concentração e o 
coeficiente de 
solubilidade do gás. 
Pressão = [gás dissolvido] 
 Coef. solubilidade 
Coeficientes de solubilidade 
O2 0,024 
CO2 0,57 
CO 0,018 
N2 0,012 
He 0,008 
Difusão de gases entre a fase gasosa 
e o sangue 
Obedece a diferença 
de pressões do gás: 
Difusão do sentido de 
maior concentração 
para o de menor 
concentração do gás. 
CICLO RESPIRATÓRIO: INSPIRAÇÃO E EXPIRAÇÃO 
Homeostasia do meio interno 
- estado estacionário 
A ventilação é passiva em condições normais 
A obstrução de vias aéreas impede o movimento do ar 
Pressão de vapor da água 
Pressão que as moléculas de água fazem para escapar da 
superfície. 
Dependente da temperatura 
À 37°C corresponde a 47mmHg 
À 0°C corresponde a 5mmHg 
À 100°C corresponde a 760mmHg 
Difusão de gases nos tecidos 
Os gases 
respiratórios tem 
grande solubilidade 
em lipídios 
Solúveis em 
membranas 
celulares 
Velocidade de 
difusão na água 
Velocidade de 
difusão nos tecidos 
= água 
Composição do ar alveolar 
Composição do ar atmosférico é diferente do ar alveolar 
1 - Ar alveolar é parcialmente substituído a cada ciclo 
2 – Oxigênio é constantemente absorvido 
3 – CO2 é constantemente difundido do sangue para os alvéolos 
4 – O ar atmosférico é umidificado 
 
Velocidade de renovação do ar 
alveolar 
 Capacidade residual funcional dos pulmões é de 
2.300mL; 
 Apenas 350mL de ar fresco são renovados; 
 Muitos ciclos para substituição do ar. 
Pressão de O2 e CO2 nos alvéolos 
Concentração e 
pressão dos gases 
O2 
Velocidade de absorção 
pelo sangue 
Velocidade que o novo 
O2 entra nos pulmões 
pela ventilação 
CO2 
Velocidade de excreção 
do CO2 
diretamente 
proporcional à 
ventilação 
Ar expirado 
 Parcela de ar do espaço morto + parcela 
de ar alveolar 
Unidade respiratória 
 Composto por bronquíolo respiratório, 
dutos alveolares, átrios e alvéolos. 
Unidade respiratória 
Paredes dos alvéolos 
extremamente finas e 
com extensas redes de 
capilares 
Lençol de sangue em 
movimento 
Gases alveolares 
ficam muito 
próximos do sangue 
Trocas gasosas ocorrem 
através de todas as 
membranas das porções 
terminais dos pulmões 
Membrana 
respiratória ou 
membrana pulmonar 
Membrana respiratória 
Espessura da membrana é de 0,2 a 
0,6M 
A área total da membrana de um 
adulto é de 70m2 
Quantidade total de sangue nos 
capilares pulmonares é de 60-140mL 
O diâmetro médio dos capilares é de 
5M 
Hemácias passam apertadas 
 
Velocidade de difusão gasosa na 
membrana respiratória 
Espessura da membrana respiratória 
A área da membrana respiratória 
O coeficiente de difusão do gás 
na membrana 
A diferença de pressões entre 
os dois lados da membrana 
Capacidade de difusão na 
membrana respiratória 
Volume de gás que se difunde através da 
membrana a cada minuto, para uma 
diferença de pressões de 1mmHg. 
Capacidade de difusão para O2 e CO2 
Capacidade de 
difusão 
O2 
Homem jovem – 
21mL/min/mmHg 
Exercício -
65mL/min/mmHg 
CO2 
20X maior que O2 
Repouso- 400-
450mL/min/mmHg 
EFEITO BOHR 
Quando Hb se liga ao O2, ela libera a proton H+ e; 
 Quando desliga o O2 incorpora H+ 
 
 EFEITO HALDANE 
Quando a Hb liga-se ao O2, sua afinidade pelo CO2 
diminui e quando a Hb desliga-se do O2 sua afinidade 
pelo CO2 aumenta 
 No pulmão HB se liga ao O2 e libera H+ CO2 que 
forma H. HCO2 que e eliminado 
 No tecido HB libera O2 e se combina com H+ e CO2 
 
Aspectos biofisicos do transporte de gase 
Exercícios 
 1) Descreva brevemente os dois mecanismos envolvidos na mecânica da 
ventilação pulmonar. 
 2) Calcule o volume da ventilação alveolar por minuto de Antônio, 
levando em consideração que, aos 72 anos, ele apresenta um volume 
corrente de 460mL, espaço morto de 180mL e uma frequência 
ventilatória de 10 ciclos/min. 
 3) Compare os fatores que afetam a velocidade de difusão dos gases 
respiratórios na água, nos tecidos e na membrana respiratória. 
 4) Comparando as diferenças de pressão de O2 e CO2 presentes nos 
capilares alveolares e no ar alveolar, descreva o sentido de difusão 
desses gases. 
 5) Descreve o efeito BOHR e HALDANE no transporte de O2 e CO2. 
Referência 
 Guyton & Hall. Tratado de Fisiologia 
Médica.