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5/26/2014 1 MSc Roberta Cavalcanti Kwiatkoski Fisiologia Respiratória Prof Dr Marcelo Kwiatkoski - Músculos respiratórios; - Anatomia funcional do sistema respiratório; - Via de condução e troca gasosa - Característica do epitélio alveolar e suas vantagens para o mecanismo de troca gasosa. - Princípio de Fick - Transporte dos gases - Equilíbrio ácido-base Objetivos Caixa Toráxica Músculos inspiratórios DIAFRAGMA INTERCOSTAIS EXTERNOS Músculos inspiratórios acessórios 5/26/2014 2 Músculos inspiratórios acessórios Serrátil anterior ABDOMINAIS Músculos expiratórios Músculos expiratórios INTERCOSTAIS INTERNOS VENTILAÇÃO VENTILAÇÃO É a troca gasosa entre os alvéolos e o ambiente externo, ou seja, é o processo pelo qual o oxigênio da atmosfera é levado ao interior dos pulmões e o dióxido de carbono é expelido do organismo. Espirômetro água 5/26/2014 3 VOLUMES E CAPACIDADES PULMONARES 500 ml 2000 ml 1000 ml 6000 ml 1200 ml 4800 ml 2400 ml 2400 ml FLUXO SANGUÍNEO PULMONAR 5.000 ml/min SANGUE CAPILAR PULMONAR 70 ml AR ALVEOLAR 3.000 ml VENTILAÇÃO ALVEOLAR 5.250 ml/min ESPAÇO MORTO ANATÔMICO 150 ml VOLUME TOTAL 500 ml VENTILAÇÃO TOTAL 7.500 ml/min ~ 1 VOLUMES FLUXOS VOLUMES PULMONARES Espaço morto fisiológico: Parte do pulmão que não elimina CO2. Ex: Alvéolo ventilado e não perfundido Ar CO2 O2 Pulmões Coração D E Tecidos CO2 O2 CO2 O2 VIAS AÉREAS SUPERIORES INFERIORES Vias aéreas 5/26/2014 4 • Cavidade nasal • Laringe • Parte da superior da traquéia • Nasofaringe • Orofaringe • Laringofaringe Vias aéreas superiores • Parte inferior da traquéia • Brônquios • Bronquíolos • Bronquíolo Terminais • Unidades distais do pulmão Vias aéreas inferiores • Brônquios principais Lobares Segmentares .... Microscopia eletrônica de varredura da superfície de um brônquio de Macaca nemistrina mostrando as células não-ciliadas com microvilosidades (NC) e células epiteliais ciliadas. Movimento ciliar http://www.youtube.com/watch?v=9TRI5F6xo5s&feature=related Z o n a d e c o n d u çã o Z o n a d e t ra n si çã o e r e sp ir a tó ri a Geração Traquéia Brônquios Bronquíolos Bronquíolos terminais Bronquíolos respiratórios Ductos alveolares Sacos alveolares 0 1 2 3 4 5 16 17 18 19 20 21 22 23 Transporte do ar Umidificação Aquecimento Filtração de Particulas Vocalização Secreção de Imunoglobulinas Produção de Surfactante Ativação/Inativação de Moléculas Regulação da Coagulação Função Endócrina 5/26/2014 5 Ácino Microscopia eletrônica de varredura da transição entre um bronquíolo terminal (TB) e ducto alveolar (AD) de cobaia (A = alvéolo; SRB = broquíolo respiratório curto) Microscopia eletrônica de varredura de um ducto alveolar (AD) de cobaia (PK = poros de Kohn; M = macrófago alveolar; A = alvéolo) Microscopia eletrônica de varredura de um alvéolo de cobaia mostrando uma parede irregular de células epiteliais tipo II (EPII) (PK = poros de Kohn; F =fragmentos de material celular; RBC = hemácia) Microscopia eletrônica de varredura do molde de uma rede capilar alveolar (ACM). A/V = grande vaso sanguíneo (arteríola ou vênula) 5/26/2014 6 - Poros de Kohn: Comunicação entre sacos alveolares - Canais de Lambert: Comunicação entre bronquíolos e alvéolos Parede interalveolar (0,3 - 0,5 um) Área da membrana alvéolo-capilar: 50-100 m2 LEI DE FICK A transferência de um gás é proporcional a ÁREA do tecido, à DIFERENÇA DE PRESSÃO entre os dois lados e inversamente proporcional à ESPESSURA da barreira. Difusão Espessura: 0,3-0,5 um Área: 50-100 m2 Exercício Hemorragia LEI DE FICK A x D x (P1 – P2) E V(gás) = •Área superficial da barreira ( A ) •Coeficiente de difusão (D) •Diferença de PP (gás) na barreira (P1 – P2) •Espessura da barreira (E) SOLUBILIDADE A x D x (P1 – P2) E V(gás) = 5/26/2014 7 Coeficiente de Difusão (D) D = Solubilidade PM O2 CO2 + lento (sol. menor) + rápido (maior sol. (20 x) É diretamente proporcional a solubilidade do gás e inversamente proporcional a raiz quadrada de seu peso molecular. LIMITAÇÕES DA TRANSFERÊNCIA DE GÁS PELA BARREIRA HEMATOGASOSA CO Limitado pela difusão N2O Limitado pela perfusão O2 Limitado pela difusão e perfusão Captação de Oxigênio ao Longo do Capilar Pulmonar Espessamento da barreira; Redução da área superficial; Redução da captação pelos eritrócitos; Desigualdade ventilação – perfusão; Diminuição da capacidade de difusão Fibrose pulmonar (Aumento da espessura) 5/26/2014 8 TRANSPORTE DOS GASES NO SANGUE PASSOS NO TRANSPORTE DE GASES: 4. Difusão 2. Difusão 3. Circulação (convecção) 1. Ventilação (convecção) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO2 O2 Metabolismo Celular Tecidos Sangue Pulmões . . . . . . . . . . . O2 PAO2 105 torr CO2 . . . . . . . . . . . PACO2 40 torr PaO2 100 torr PaCO2 40 torr PvCO2 41 torr PvO2 40 torr PO2 150 torr (mmHg) PCO2 0,2 torr PCO2 ± 46 torr PO2 10-40 torr TRANSPORTE DE OXIGÊNIO NO SANGUE TRANSPORTE DE OXIGÊNIO (O2) 1. Dissolvido no plasma (3%) 2. Combinação com a hemoglobina (97%) LEI DE HENRY O número de moléculas dissolvidas em um líquido é diretamente proporcional à pressão parcial do gás na superfície do líquido. 1 mmHg de PO2 0,003 ml O2/100ml de sangue (0,003 vol %) 100 mmHg de PO2 0,3 ml O2/100ml de sangue (0,3 vol %) 40 mmHg de PO2 0,12 ml O2/100ml de sangue Dissolvido no Plasma 5/26/2014 9 DC= 30 litros/min 30 x 3= 90ml de O2 /min No exercício a demanda pode chegar a 3000ml/min. Necessidade Tecidual (repouso) 300 ml O2/min 1. Dissolvido no plasma (3%) Combinado com a Hemoglobina (97%) HEMÁCIA HEMOGLOBINA (Hb) Tipos de Hb: adulto – A, F, S, metemoglobina, etc. 1 gr Hb 15 gr/100ml Sg 1,39 ml O2 20,4 mlO2/100ml Sg 13 gr/100ml Sg 17,4 mlO2/100ml Sg Combinado com a Hemoglobina (97%) (Desoxiemoglobina) O2 + Hb HbO2 (Oxiemoglobina) Homens Mulheres HbO2: aumenta a afinidade ao O2 dos sítios heme restantes Curva de dissociação do O2 Saturação de O2 da Hemoglobina é a porcentagem de ligação do O2 com locais disponíveis na Hb. O2 combinado com a Hb x 100 Capacidade de O2 PaO2 100 mmHg 97,5% Saturação PvO2 40 mm Hg 75% Saturação 1. Anemia e Policitemia 5/26/2014 10 CURVA DE DISSOCIAÇÃO DA HEMOGLOBINA Carregamento pouco afetado! PO2 pouco alterada: Difusão para os tecidos! FATORES QUE DESLOCAM A CURVA DE DISSOCIAÇÃO DA HEMOGLOBINA 1. TEMPERATURA 2. CONCENTRAÇÃO DE HIDROGÊNIO E PRESSÃO PARCIAL DE DIÓXIDO DE CARBONO3. CONCENTRAÇÃO DE 2,3-BIFOSFOGLICERATO (2,3-BPG) * O desvio da curva para direita reflete maior oferta de O2 para os tecidos, já o desvio para esquerda aumenta o carregamento do O2 pela Hb. Afinidade HbO2 CO2 ÁCIDO QUENTE P50 BPG Diminuição da afinidade HbO2 H+ ( pH) temperatura 2,3-BPG PCO2 EFEITO BOHR TRANSPORTE DE CO2 NO SANGUE TRANSPORTE DE GÁS CARBÔNICO FORMAS: DISSOLVIDO; BICARBONATO; LIGADO A PROTEÍNAS (CARBAMINO) Proteína mais comum: Hb (CO2) 5/26/2014 11 Dissolvido • 10% do conteúdo total ; • Pressão de 40 mmHg: 2,4 ml de CO2 dissolvidos (100ml de sangue arterial); • Pressão de 45 mmHg: 2,7 ml de CO2 dissolvidos (100ml de sangue venoso); 20 MAIS SOLÚVEL QUE O O2 Íons Bicarbonato • 70% do total de CO2 transportado; • CO2 sangue reage com H2O; • Eritrócitos: anidrase carbônica catalisa a reação de dióxido de carbono com a água • catalisa a hidratação/desidratação do CO2 CO2 + H2O H + + HCO3 - AC ANIDRASE CARBÔNICA • H+ liga-se a Hb, íons HCO3 -: difundem-se para fora dos eritrócitos, neutralidade elétrica mantida: trocador Cl-HCO3 (desvio do cloreto). Combinado com Hemoglobina e Proteínas Plasmáticas • 23% do conteúdo total ; • associados com grupamentos aminas terminais de proteínas do sangue; • ligação frouxa: CO2 liberado nos alvéolos. CURVA DE DISSOCIAÇÃO DO CO2 CO2 HHb } O2 O2 O2 CO2 HCO3 HCO3 CO2 AC CO2 + H2O H2CO3 HCO3 + H + CO2 Dissolvido Dissolvido O2 Hb HbO2 } TECIDO PLASMA P a re d e c a p il a r HEMÁCIA Cl Cl EFEITO HALDANE 5/26/2014 12 Marcelo Kwiatkoski – Dep Fisiologia - FMRP MECÂNICA RESPIRATÓRIA Objetvos Apresentar e discutir as propriedades mecânicas do Sistema Respiratório, que é formado por dois componentes: o pulmão e a parede torácica. Portanto, nesta aula abordaremos: -Como ocorre o enchimento pulmonar; - Propriedades elásticas e resistivas do SR. A respiração tem por objetivo fornecer O2 aos tecidos e remover o CO2. Geração de gradiente de pressão: atmosfera - alvéolos • Respiração por pressão negativa Pressão alveolar Volume alveolar (Lei de Boyle) • Contração músculos inspiratórios – Diafragma – Intercostais externos – Acessórios • Esternocleidomastoídeo • Escalenos MÚSCULOS RESPONSÁVEIS PELA INSPIRAÇÃO E EXPIRAÇÃO 5/26/2014 13 Os pulmões podem ser insuflados ou esvaziados de duas maneiras: 1. Pela movimentação do diafragma para baixo e para cima, alongando ou encurtando a caixa torácica 2. Pela elevação e depressão das costelas, aumentando ou diminuindo o diâmetro ântero- posterior da cavidade torácica. O Pulmão é uma estrutura elástica que colapsa como um balão expelindo todo o seu ar pela traquéia, sempre que não houver qualquer força para mantê-lo inflado. PRESSÃO PLEURAL E SUAS VARIAÇÕES DURANTE A RESPIRAÇÃO Pressão Pleural? É a pressão do pequeno espaço, preenchido com líquido, existente no estreito espaço entre a pleura parietal e visceral. Tendência de retração pulmonar é contrabalançada pela tendência de expansão da caixa torácica, resultando em pressão intrapleural subatmosférica! 5/26/2014 14 Durante a inspiração normal A expansão da caixa torácica puxa os pulmões para fora com força ainda maior criando uma pressão mais negativa. -7,5 cm H2O Inspiração PRESSÃO ALVEOLAR Quando a glote está aberta e não há entrada nem saída de ar dos pulmões, as pressões em toda as partes da árvore respiratória, até nos alvéolos é igual à pressão da atmosfera. Inspiração COMPLACÊNCIA PULMONAR Complacência ? É o grau de expansão dos pulmões para cada unidade de alteração da pressão transpulmonar. ~ 200 ml/cmH2O 5/26/2014 15 Forças elásticas pulmão determinadas fibras de elastina/ colágeno pulmonar. CURVA DE PRESSÃO-VOLUME Curva não linear, as curvas de inflação e deflação não são as mesmas HISTERESE Tensão Superficial? Força gerada por uma fina camada de líquido que reveste internamente os alvéolos. Tesão Superficial • Toda interface gás-líquido • Gerada: forças de coesão entre as moléculas do líquido Cerca de 2/3 das forças elásticas totais nos pulmões TENSÃO SUPERFICIAL Lei de Laplace: Pressão = 2 x tensão raio T = P x r 2 Maioria dos líquidos Tensão superficial constante Surfactante POR QUE OS ALVÉOLOS NÃO COLAPSAM? 5/26/2014 16 Surfactante SURFACTANTE Dipalmitoilfosfatilcolina Sintetizado a partir de ácidos graxos Cadeias Hidrofóbicas Cadeias Hidrofílicas Surfactante Com surfactante Sem surfactante água Vantagens Diminui a tensão superficial (Melhora a complacência); Estabilidade alveolar; Impede a transudação de líquido para o alvéolo; DIFERENÇAS REGIONAIS DA VENTILAÇÃO Diferenças regionais da ventilação O pulmão é mais fácil de inflar em baixos volumes do que em altos volumes, quando ele se torna mais rígido. Base mais ventilada que o Ápice; RESISTÊNCIA DAS VIAS AÉREAS 5/26/2014 17 RESISTÊNCIA DAS VIAS AÉREAS Fluxo de ar através de tubos “A resistência é maior quanto menor for o raio” Lei de Poiseuille A maior resistência encontra-se nos brônquios de tamanho médio, já os bronquíolos muito pequenos contribuem com relativamente pouca resistência. Onde seria a maior resistência das vias aéreas ? Fatores determinantes da resistência Contração do músculo liso Substâncias irritantes na traquéia e brônquios Estimulação parassimpática); Aumento da densidade do gás; Fatores determinantes da resistência:Volume pulmonar Causas de ventilação desigual (Alterações da complacência e da resistência) Ex.: Fibrose Ex.: Aspiração meconial Ex.: Normal 5/26/2014 18 Controle da Ventilação TÓPICOS ABORDADOS • Organização geral do sistema de controle da ventilação; • Controle rítmico central da respiração; • Anatomia e fisiologia dos quimiorreceptores; • Noções de Fisiopatologia do controle ventilatório. VENTILAÇÃO PULMONAR Definição: processo pelo qual o O2 é levado do ar atmosférico até os pulmões e o CO2 é expelido para fora do corpo. Ventilação = Volume Corrente x Freqüência Respiratória (VE) (VT) (fR) L/min L ciclos/min EFETORES CONTROLADOR RECEPTORES • Quimiorreceptores • Mecanoreceptores • Receptores de irritação • Receptores justa-capilares SISTEMA DE CONTROLE • Diafragma •Músculos acessórios • Músculos bucais • Músculos da glote • SNC Retroalimentação - Negativa http://fisiologiaunifor.blogspot.com/2007_05_01_archive.html 5/26/2014 19 Centro pneumotáxico Via inibitória ? Centro apnêustico ? Grupo respiratório ventral (expiração e inspiração) Vias respiratórias Nervos vago e glossofaríngeo Grupo respiratório dorsal (inspiratório) Quarto ventrículo Organização dos centros respiratórios (Guyton, 1996). CONTROLADORESCENTRAIS 1. GRUPO RESPIRATÓRIO DORSAL (GRD): • Localizado bilateralmente na região dorsolateral do bulbo; • Neurônios inspiratórios (inervação diafragmática); • Recebe informações aferentes viscerais via nervos vago e glossofaríngeo; • Células: P, Iα e Iβ. LEVITZKY, M. G. (2004) Fisiologia Pulmonar. 6° ed., Manole., Barueri., São Paulo. 1. GRUPO RESPIRATÓRIO DORSAL (GRD): 2. GRUPO RESPIRATÓRIO VENTRAL (GRV): • Localizado bilateralmente na região ventrolateral do bulbo; • Neurônios inspiratórios e expiratórios; • Núcleos: retro-ambíguo (NRA), retro-facial (NRF), complexo de Bötzinger (BOT-C) e pré-Bötzinger (pré-BOT); • Complexo pré-BOT: neurônios geradores ritmo respiratório (marcapasso). CONTROLADORES CENTRAIS LEVITZKY, M. G. (2004) Fisiologia Pulmonar. 6° ed., Manole., Barueri., São Paulo. GRUPO RESPIRATÓRIO VENTRAL (GRV): 3. GRUPO RESPIRATÓRIO PONTINO (GRP): • Centro Pneumotáxico; • Porção superior da ponte: Núcleo parabraquial medial (NPBM) e Kölliker-Fuse; • “Sintonia fina” do padrão respiratório • “Desliga” a inspiração: Aumenta a FC. 4. CENTRO APNÊUSTICO: • Ponte inferior; • Atuação sobre neurônios do GRD; • “Interruptor” da inspiração (Prolonga a inspiração). 5/26/2014 20 Sistema Nervoso Central Córtex Núcleos Superiores: - Hipotálamo - Sistema Límbico Vias da Medula Espinhal: - Dor - Temperatura, Tato (http://faculty.etsu.edu/currie/images/respmusc.jpg) Inspiratórios Expiratórios EFETORES DA VENTILAÇÃO Córtex cerebral Cerebelo Tronco cerebral Medula espinal Motoneurônios frênicos Gânglio petrosal Gânglio nodoso Artéria carótida externa Artéria carótida comum Corpo carotídico Córpos aórticos Coração Diafragma Axônios motores intercostais Sensores Bulbo Nervo Glossofaríngeo Nervo Vago Seios Carotídeos Arco Aórtico (Modificado de Guyton & Hall: Textbook of Medical Physiology - 11° ed, 2006) Quimiorreceptores Periféricos Carotídeos e Aórticos Estímulos: PO2, PCO2, pH Únicos que respondem a alterações na PO2 Flx sg ≈20mL/g de tecido/minuto; 10-20% resposta ao CO2 Microanatomia da célula quimiorreceptora 1: Células Glomus 2: Células de sustentação 3: Capilares 4: Fibras nervosas sensoriais López-Barneo et al. (2008). Eur Respir J; 32: 1386-1398. 3 2 1 4 Resposta do corpo carotídeo à PaO2 5/26/2014 21 Resposta ao CO2 e a hipóxia Hornbein, 1968 (Hlastala, M.P and Berger, A.J. Physiology of Respiration - 1° ed, 1996). Quimiorreceptores Centrais Localização: bulbo ventral Estímulos: PCO2 e pH Controle: mais importante é equilíbrio ácido-base 80-90% resposta ao CO2 (Modificado de Guyton & Hall: Textbook of Medical Physiology - 11° ed, 2006) Quimiorreceptores Centrais Mudanças no LCR são muito importantes para alterações da ventilação Quimiorreceptores Centrais CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3- CO2 + H2O H2CO3- H+ + HCO3- LCR BHE Sangue arterial ac ac ac ac • Pulmonares: sensíveis a irritação e ao estiramento (reflexo de Hering-Breuer); • Extrapulmonares: sensíveis a estimulação mecânica e química, localizados no nariz, vias aéreas, articulações e músculos – atividade física. • Além desses, os barorreceptores arteriais, nociceptores e termorreceptores também podem inferir na ventilação pulmonar. Receptores e Reflexos Axônios bulbo-espinais C3 C4 C5 Cervical Nervo frênico Intercostais Torácica Diafragma Lombar A b d o m in a is MEDULA ESPINAL Ilustração da localização dos motoneurônios respiratórios frênico, intercostal e abdominal e suas respectivas conexões com os músculos respiratórios 5/26/2014 22 Resposta Ventilatória ao Exercício 1. Resposta Imediata ventilação componente neural córtex motor reflexo condicionado proprioceptores 2. ventilação subseqüente exercício severo ácido lático PCO2, [H+] Resposta Ventilatória ao Exercício REGULAÇÃO DO EQUILÍBRIO ÁCIDO-BASE Equilíbrio ácido-básico O transporte de CO2 exerce um papel importante sobre o equílíbrio ácido-básico do organismo; Pulmão excreta 10.000 mEq de ácido carbônico por dia; Os rins eliminam menos de 100 mEq de ácidos fixos por dia; ventilação alveolar. Equilíbrio ácido-básico É fundamental que a concentração do íon hidrogênio (H+) nos líquidos corporais, advindos do metabolismo, seja mantida muito constante, afim de garantir o adequado funcionamento enzimático. pH resultante da solução de CO2 CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H + + HCO3 - a.c. 5/26/2014 23 Gasometria arterial Geralmente, amostras sanguíneas são analisadas clinicamente para se determinar a “gasometria arterial”: a PO2, a PCO2, o pH e o HCO3 pH 8 6 7,35 7,45 Ácido Normal Alcalino pH Acidose Alcalose Respiratória Metabólica Distúrbios Acidose Alcalose Metabólica Respiratória Valores de normalidade pH: 7,35 – 7,45; PO2 : 80 - 100 mmHg; PCO2: 35 - 45 mmHg; HCO3: 22 - 26/8 mEq/L; BE: -2 + 2 (Elevado BE: excesso de base, o que acarretará uma alcalose metabólica. Baixo BE: Falta de base, ou seja, grande quantidade de ácido o que acarretará uma acidose metabólica.) Sistemas de controle Sistema tampão Sistema respiratório Sistema renal CO2 HCO3 - Causas primárias dos distúrbios Ácido-Básicos Acidose Respiratória PCO2 Alcalose Acidose Metabólica [HCO3] Alcalose 5/26/2014 24 ACIDOSE RESPIRATÓRIA ↑ PCO2 ↓pH CAUSAS HIPOVENTILAÇÃO Depressão dos centros de controle respiratório Restrição pulmonar Restrição da parece torácica Pneumopatias Obstrução das vias aéreas ACIDOSE RESPIRATÓRIA A B C D E F G Excreção renal: H2PO4 e Nh4 = urina ácida / Reabsorção: HCO3 ALCALOSE RESPIRATÓRIA ↓ PCO2 ↑ pH CAUSAS HIPERVENTILAÇÃO altitude elevada , psiconeurose, febre, ventilação excessiva. ALCALOSE RESPIRATÓRIA A B C D E F G Excreção renal: HCO3 = urina básica ACIDOSE METABÓLICA ↓ HCO3 - ↓ pH CAUSAS Alteração [HCO3 -] Vômito do conteúdo intestinal (Perda de íons bicarbonato) Acidose lática (hipóxia tecidual) Cetoacidose diabética Disfunção renal ACIDOSE METABÓLICA A B C D E F G 5/26/2014 25 ALCALOSE METABÓLICA ↑ HCO3 - ↑ pH CAUSAS Alteração [HCO3 -] Injestão excessiva de álcalis, por ex. no tto de gastrite; Diuréticos que provocam absorção distal de sódio, pois eliminam H+; Êmese : do conteúdo gástrico (HCl), ALCALOSE METABÓLICA A B C D E F G pH H+ PCO2 HCO3 - Normal 7,4 40 mEq/l 40 mm Hg 40 mEq/l Acidose respiratória ↓ ↑ ↑↑ ↑ Alcalose respiratória ↑ ↓ ↓↓ ↓ Acidose metabólica ↓ ↑ ↓ ↓↓ Alcalose metabólica ↑ ↓ ↑ ↑↑
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