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BIOFÍSICA DO SISTEMA RESPIRATÓRIO Adriana Fontes / adriana.fontes.biofisica@gmail.com Departamento de Biofísica e Radiobiologia REVISÃO DOS CONCEITOS FÍSICOS BIOFÍSICA DO SISTEMA RESPIRATÓRIO FUNÇÃO DO SISTEMA RESPIRATÓRIO: OXIGENAR O SANGUE E REMOVER CO2 DO MESMO. TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA FORA E DENTRO DO CORPO. PRODUZIR SONS. COMPONENTES DO APARELHO RESPIRATÓRIO: VIAS AÉREAS: BOCA, CAVIDADES NASAIS E FARINGE (QUE ESTÃO CONECTADAS À TRAQUÉIA POR MEIO DA LARINGE). TRAQUÉIA SE BIFURCA NOS BRÔNQUIOS -> BRONQUÍOLOS -> ALVÉOLOS PULMÕES ENVOLVIDOS PELA PLEURA VISCERAL OCUPAM 4/5 DA CAVIDADE TORÁCICA. PAREDE TORÁCICA É UMA ESTRUTURA ELÁSTICA QUE EM COMBINAÇÃO COM OS MOVIMENTOS DO DIAFRAGMA PROMOVE VARIAÇÕES DE VOLUME DA CAVIDADE TORÁCICA (PELE, TECIDO, ARCOS COSTAIS, ESTERNO, CLAVÍCULA, COLUNA DORSAL, LIGAMENTOS, MÚSCULOS, PLEURA PARIETAL, VASOS E NERVOS). MÚSCULOS DA INSPIRAÇÃO (DIAFRAGMA, INTERCOSTAIS EXTERNOS E ACESSÓRIOS). MÚSCULOS DA EXPIRAÇÃO (ABDOMINAIS E INTERCOSTAIS INTERNOS). ÁRVORE BRONQUIAL NÚMERO DE BRAÇOS TRAQUÉIA BRÔNQUIO PRIMÁRIO BRÔNQUÍOLOS RESPIRATÓRIOS 500.000 SACOS ALVEOLÁRES 8 MILHÔES TERMINAIS DOS BRONQUÍOLOS 60000 ALVÉOLOS TERMINAL DO BRONQUÍOLO ZONA DE CONDUÇÃO ZONA DE RESPIRAÇÃO COMPONENTES DO APARELHO RESPIRATÓRIO: ZONA DE TRANSIÇÃO ZONA DE RESPIRAÇÃO GÁS -> FLUIDO Q = (P1 – P2) / R R = (8 η L) / (π r4) P = F /A ESCOAMENTO LAMINAR OU TURBULENTO ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIA FLUXO TURBULENTO E TRANSICIONAL É MAIS PROVÁVEL DE OCORRER NA TRAQUÉIA. FLUXO LAMINAR É MAIS PROVÁVEL EM PEQUENAS VIAS AÉREAS. GÁS -> FLUIDO 2000 4000 : laminar flow Re 2000 - 4000 : transitional flow : turbulent flow <⎧ ⎪ ⎨ ⎪>⎩ MECÂNICA RESPIRATÓRIA SÓ HÁ FLUXO QUANDO HÁ DIFERENÇA DE PRESSÃO -> O AR FLUI POIS HÁ DIFERENÇA DE PRESSÃO ENTRE OS PULMÕES E O MEIO EXTERNO. O AR SEMPRE FLUI DO LOCAL DE MAIOR PARA O DE MENOR PRESSÃO. O AR ENTRA NOS PULMÕES QUANDO A PRESSÃO É MENOR QUE A PRESSÃO ATMOSFÉRICA: PROCESSO DE INSPIRAÇÃO. O AR SAI DOS PULMÕES QUANDO A PRESSÃO É MAIOR QUE A PRESSÃO ATMOSFÉRICA: PROCESSO DE EXPIRAÇÃO. Q = (P1 – P2) / R AR ENTRA NOS PULMÕES QUANDO P É NEGATIVA (SUBATMOSFÉRICA) E SAI QUANDO P POSITIVA. O CORPO MUDA A PRESSÃO NOS PULMÕES AUMENTANDO E DIMINUINDO SEU VOLUME. MAIOR O VOLUME -> MENOR A PRESSÃO. DURANTE A INSPIRAÇÃO O VOLUME DOS PULMÕES AUMENTA DEVIDO A CONTRAÇÃO DO DIAFRAGMA E EXPANSÃO DA CAIXA TORÁCICA. O VOLUME AUMENTA, A PRESSÃO CAI E O AR ENTRA NOS PULMÕES. DURANTE A EXPIRAÇÃO O DIFRAGMA RELAXA, A CAIXA TORÁCICA VOLTA AO TAMANHO ORIGINAL. O VOLUME DIMINUI, A PRESSÃO AUMENTA E O AR SAI DOS PULMÕES. MECÂNICA RESPIRATÓRIA COMPLACÊNCIA E ELASTÂNCIA QUANDO A ELASTÂNCIA (CONSTANTE DE MOLA) É GRANDE -> MAIS DIFÍCIL DEFORMAR (ALTA RESISTÊNCIA PARA DEFORMAR) -> MENOS ELÁSTICO -> MENOR A COMPLACÊNCIA. POR OUTRO LADO, QUANDO A ELASTÂNCIA É PEQUENA -> MAIS FÁCIL DEFORMAR -> MAIS ELÁSTICO -> MAIOR A COMPLACÊNCIA. PODEMOS USAR COMO SINÔNIMO DE COMPLACÊNCIA -> DISTENBILIDADE. A COMPLACÊNCIA DO PULMÃO DIMINUI CONFORME O VOLUME AUMENTA. MECÂNICA RESPIRATÓRIA INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS NOS FLUIDOS DENTRO E FORA DO PULMÃO TAMBÉM TEM PAPEL IMPORTANTE NA RESPIRAÇÃO. OS PULMÕES SÃO REVESTIDOS EXTERNAMENTE PELA PLEURA VISCERAL E A FACE INTERNA DA CAIXA TORACICA PELA PLEURA PARIETAL. EXISTE ENTRE ELAS O ESPAÇO INTRAPLEURAL, NO QUAL UM FLUIDO, O LÍQUIDO PLEURAL, EXERCE FORÇAS ADESIVAS. OS PULMÕES ESTÃO EM CONTATO COM A CAIXA TORÁCICA ATRAVÉS DESSE LIQUIDO. SÃO ESSAS FORÇAS QUE PERMITEM QUE OS PULMÕES ACOMPANHEM O MOVIMENTO DA CAIXA TORÁCICA E ASSIM MUDEM SEU VOLUME PARA CONTROLAR A PRESSÃO E, PORTANTO, A ENTRADA E SAÍDA DE AR. INTERAÇÕES ENTRE MOLÉCULAS PODEM SER ATRATIVAS OU REPULSIVAS. INTERAÇÕES ATRATIVAS ENTRE MOLÉCULAS DO MESMO TIPO SÃO CHAMADAS COESIVAS E ENTRE MOLÉCULAS DIFERENTES SÃO CHAMADAS ADESIVAS. MECÂNICA RESPIRATÓRIA INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS A PRESSÃO INTRATORÁCICA DEVE SER SUBATMOSFÉRICA (NEGATIVA) PARA MANTER OS PULMÕES EXPANDIDOS. A PRESSÃO ENTRE OS PULMÕES E A CAIXA TORÁCICA AUMENTA E DIMINUI MAS SEMPRE PERMANECE NEGATIVA -> ESSA PRESSÃO É CHAMADA PRESSÃO INTRATORÁCICA. MECÂNICA RESPIRATÓRIA TENSÃO SUPERFICIAL FORÇAS COESIVAS EM LÍQUIDOS ATUAM NO SENTIDO DE CONTRAIR O MESMO PARA FAZER SUA ÁREA A MENOR POSSÍVEL – FOMANDO GOTAS – A SUPERFÍCIE DESSE LÍQUIDO ESTÁ ENTÃO SOB UMA TENSÃO QUE É CHAMADA TENSÃO SUPERFICIAL. MECÂNICA RESPIRATÓRIA A TENSÃO SUPERFICIAL É UMA PROPRIEDADE QUE SÓ EXISTE ENTRE DUAS FASES, POR EXEMPLO AR E ÁGUA. A TENSÃO SUPERFICIAL QUE ATUA NO LIQUIDO QUE FORMA UMA SUPERFÍCIE ESFÉRICA É: T = P r / 2 QUANTO MENOR O RAIO, MAIOR É A PRESSÃO. O QUE ACONTECE COM DUAS BOLHAS DE LÍQUIDO (BOLHAS DE SABÃO) QUE ESTÃO NO AR DE DIMENSÕES DIFERENTES INTERLIGADAS? ENCHER UM BALÃO* NOS PULMÕES NÓS TEMOS OS ALVÉOLOS QUE SÃO COMO AS BOLHAS DE SABÃO. HÁ AR NO SEU INTERIOR E TAMBÉM HÁ UM LIQUIDO AO SEU REDOR. MECÂNICA RESPIRATÓRIA EM VÍTIMAS DE ENFISEMA PULMONAR, MUITOS ALVÉOLOS DA PESSOA SE JUNTAM PARA FORMAR POUCOS E GRANDES ALVÉOLOS. COMO QUANTO MAIOR O RAIO, MENOR A PRESSÃO -> QUANDO UMA PESSOA COM ENFISEMA EXPIRA, SEU ALVÉOLO CRIA UMA MENOR PRESSÃO EM RELAÇÃO À ATMOSFÉRICA E A QUANTIDADE DE AR QUE SAI É MENOR QUE O NORMAL. MECÂNICA RESPIRATÓRIA SURFACTANTE A. CANCELAMENTO SIMÉTRICO DAS FORÇA DE ATRAÇÃO INTRA- MIOLECULAR B. NA SUPERFÍCIE, A SIMETRIA É DESTRUÍDA ENTÃO NÃO HÁ O CANCELAMENTO (EQUILÍBRIO) DAS FORÇAS NA SUPERFÍCIE. EXISTE UMA FORÇA RESULTANTE PARA DENTRO. C. MOLÉCULAS DE SURFACTANTE DISPERSÃO MOLÉCULAS DE ÁGUA E REDUZ A ATRAÇÃO INTRA- MOLECULAR DAS MOLÉCULAS DA SUPERFÍCIE. A TENSÃO SUPERFICIAL PODE SER TÃO GRANDE QUE É DIFÍCIL FAZER O ALVÉOLO INFLAR. ESSE PROBLEMA CHAMADO DOENÇA DA MEMBRANA HIALINA OCORRE MAIS EM RECÉM-NASCIDOS. ESSES BEBÊS TEM FALTA DE SURFACTANTE E POR ISSO RESPIRAM COM GRANDE ESFORÇO. O SURFACTANTE NOS PULMÕES TEM O PAPEL DE CONTROLAR (REDUZIR) A TENSÃO SUPERFICIAL. ISSO TAMBÉM ACONTECE COM VÍTIMAS DE AFOGAMENTO, A ÁGUA AUMENTA A TENSÃO SUPERFICIAL NOS ALVÉOLOS. MECÂNICA RESPIRATÓRIA SURFACTANTE MECÂNICA RESPIRATÓRIA SURFACTANTE O SURFACTANTE FAZ DOS ÁLVEOLOS COMO SE FOSSE UM BALÃO JÁ INFLADO. SE TORNA FÁCIL COLOCAR AR DENTRO DELES. SE NÃO FOSSE O SURFACTANTE OS ALVÉOLOS SE COMPORTARIAM COMO AS BOLHAS DE SABÃO E OS ALVÉOLOS MENORES ENTRARIAM EM COLAPSO. O SURFACTANTE ATUA CONFORME A ÁREA DO ALVÉOLO: QUANTO MENOR O ALVÉOLO -> MAIOR O PAPEL DO SURFACTANTE (MAIS CONCENTRADO) -> REDUZ BASTANTE A TENSÃO SUPERFICIAL -> REDUZ BASTANTE A PRESSÃO. QUANTO MAIOR O ALVÉOLO -> MENOR O PAPEL DO SURFACTANTE (MENOS CONCENTRADO) -> REDUZ MENOS A TENSÃO SUPERFICIAL -> REDUZ MENOS A PRESSÃO. ISSO FAZ QUE ALVÉOLOS MAIORES E MENORES TENHAM APROXIMADAMENTE A MESMA PRESSÃO E TRABALHEM ENTÃO COOPERATIVAMENTE. INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO DIFUSÃO E A LEI DE FICK SE VOCÊ COLOCAR UMA GOTA DE CORANTE EM ÁGUA, ELA SE ESPALHARÁ ATÉ A COR FICAR UNIFORME -> ISTO É DIFUSÃO. A VELOCIDADE DESSAS MOLÉCULAS DEPENDE DA MASSA E DA TEMPERATURA. É MAIOR PARA MOLÉCULAS MENORES E ALTAS TEMPERATURAS. PRIMEIRA DE LEI DE FICK -> A DIREÇÃO DA DIFUSÃO É SEMPRE DA MAIOR PARA A MENOR CONCENTRAÇÃO. A TAXA (FLUXO) DE DIFUSÃO É DIRETAMENTE PROPORCIONAL A DIFERENÇA DE CONCENTRAÇÃOENTRE AS REGIÕES. C = m/V e CM = n/V - J = Δm/Δt = -DA ΔC/Δx Fluxo de soluto difundido pela área A num intervalo de tempo é proporcional ao gradiente (linear) de concentração. D é o coeficiente de difusão e depende da natureza do soluto e temperatura. O sinal menos indica que o fluxo é no sentido contrário ao gradiente de concentração. INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO DIFUSÃO E A LEI DE FICK SANGUE PASSANDO PELOS CAPILARES ADJACENTES AOS ALVÉOLOS TROCAM GASES POR DIFUSÃO ATRAVÉS DAS PAREDES DOS CAPILARES E DOS ALVÉOLOS. A DIFUSÃO DE GASES ENTRE O AR NOS PULMÕES E O SANGUE É DA REGIÃO DE MAIOR PARA A MENOR CONCENTRAÇÃO E A TAXA DE DIFUSÃO É MAIOR QUANDO A DIFERENÇA DE CONCENTRAÇÃO É MAIOR. INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO COMO A CONCENTRAÇÃO RELATIVA É QUE DETERMINA A DIREÇÃO DO GÁS, É CONVENIENTE EXPRESSAR NUMERICAMENTE AS CONCENTRAÇÕES DE GÁS. SE UMA MISTURA DE GASES OCUPA UM VOLUME, A PRESSÃO PARCIAL DE UM GÁS É DEFINIDA COMO A PRESSÃO QUE ELE EXERCERIA SOBRE O RECIPIENTE SOZINHO SE SOMENTE ELE OCUPASSE O RECIPIENTE -> LEI DE DALTON DAS PRESSÕES PARCIAIS. NORMALMENTE EXPRESSA-SE EM TERMOS DE PORCENTAGEM. A PRESSÃO TOTAL EQUIVALE A 100% ENTÃO SE DIZ QUE UM GÁS É RESPONSÁVEL POR X% DA PRESSÃO TOTAL. PRESSÕES PARCIAIS – LEI DE DALTON INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO PRESSÕES PARCIAIS – LEI DE DALTON EXEMPLO A ATMOSFERA É COMPOSTA POR DIVERSOS GASES. PODEMOS DIZER QUE A PRESSÃO PARCIAL DO OXIGÊNIO NA ATMOSFERA É 20% DA PRESSÃO TOTAL. SE A PRESSÃO TOTAL DA ATMOSFERA É 760 mmHg, A PRESSÃO PARCIAL DE OXIGÊNIO É 20%(760) = 150 mmHg. NORMALMENTE EXPRESSAMOS PRESSÃO PARCIAL COMO pO2 = 150 mmHg. INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO PRESSÕES PARCIAIS – LEI DE HENRY A LEI DE HENRY DIZ QUE CADA PRESSÃO PARCIAL DE CADA GÁS É DIRETAMENTE PROPORCIONAL A SUA CONCENTRAÇÃO E PODE SER USADA PARA MEDIR SUA CONCENTRAÇÃO. ASSIM, PODEMOS USAR MEDIDAS DE PRESSÃO PARCIAL PARA VER COMO OCORRE A DIFUSÃO E AS TROCAS DE GÁS ENTRE OS CAPILARES E ALVÉOLOS. POR EXEMPLO: 20% DAS MOLÉCULAS NA ATMOSFERA SÃO DE OXIGÊNIO ENTÃO A PRESSÃO PARCIAL DA ATMOSFERA É 20% DA PRESSÃO TOTAL OU pO2 = 150 mmHg. SE NOS PULMÕES pO2 = 105 mmHg E NO SANGUE pO2 = 40 mmHg, A CONCENTRAÇÃO DE OXIGÊNIO NOS PULMÕES É MUITO MAIOR QUE NO SANGUE E O OXIGÊNIO SERÁ TRANSFERIDO PARA O SANGUE QUE É O LOCAL DE MENOR CONCENTRAÇÃO E MENOR PRESSÃO. INTERAÇÃO ENTRE O SISTEMA RESPIRATÓRIO E CIRCULATÓRIO O GÁS SEMPRE FLUI DO LOCAL DE MAIOR PARA O DE MENOR PRESSÃO. A PRESSÃO PARCIAL DE OXIGÊNIO NOS PULMÕES É MENOR QUE A ATMOSFÉRICA. A PRESSÃO DO GÁS CARBÔNICO É MAIOR. ARTÉRIAS VEIAS pO2 = 100 mmHg pCO2 = 40 mmHg pO2 = 40 mmHg pCO2 = 46 mmHg TECIDOS PULMÕES pO2 = 100 mmHg pCO2 = 40 mmHg pO2 = 40 mmHg pCO2 = 46 mmHg pO2 pCO2 pO2 pCO2 MEDIDAS DE pO2 E pCO2 PODEM INDICAR PRESENÇA DE PROBLEMAS E DOENÇAS. VISÃO GERAL DAS LEIS NA RESPIRAÇÃO gasfluid PkC ⋅= solubility AWRQP ⋅=Δ ! dx dCDAVgas ⋅−=! 2211 VPnRTVP == totali total total i i PC P n nP ⋅= ⋅= MW k D solubility∝ GÁS IDEAL BIBLIOGRAFIA: 1. Physics with Health Science Applications – Paul Peter Urone. 2. Física para Ciências Biológicas – Emico Okuno. 3. Fisiologia – Margarida de Melo Aires. 4. Intermediate Physics for Medicine and Biology. 5. Medical Physics – Cammeron. EXERCÍCIO SE VOCÊ DESEJA BOMBEAR AR PARA DENTRO DO PULMÃO DE UM PACIENTE ATRAVÉS DE UM BALÃO QUE ESTÁ CONECTADO A UM VENTILADOR RESPIRATÓRIO, VOCÊ ESCOLHERIA UM BALÃO GRANDE OU PEQUENO PARA CONSEGUIR A MÁXIMA PRESSÃO? E PARA CONSEGUIR INSUFLAR O MÁXIMO VOLUME? EXERCÍCIO CALCULE A PRESSÃO EM mmHg DENTRO DE: (A) DE UMA BOLHA DE ÁGUA DE RAIO DE 2X10-2 cm, CONSIDERE T = 0,072 N/m. (B) DE UMA BOLHA CINCO VEZES MAIOR (COM RAIO DE 1X10-1 cm), CONSIDERE T = 0,072 N/m, E (C) DE UMA BOLHA DE ÁGUA COM RAIO DE 2X10-2 cm COM SURFACTANTE QUE REDUZ A TENSÃO SUPERFICIAL PARA 0.037 N/m.
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