Biofísica do sistema respiratório

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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.