Biofísica da Respiração

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Biofísica da Respiração
Prof. Gilvan Caetano Duarte
Universidade Federal do Tocantins
Curso de Ciências Biológicas
Disciplina de Biofísica
Biofísica da respiração
 Introdução
 Os animais necessitam de O2 para a manutenção dos
processos metabólicos que lhes garantem a vida;
 Reações bioquímicas que se passam nos diversos
compartimentos dos animais, resulta de uma
constante produção de CO2
 Insetos (tubos respiratórios) e peixes (brânquias);
 Animais mais complexos (pulmões);
 Respiração celular e Respiração externa.
Biofísica da respiração
 Atmosfera terrestre
 Camada de gases;
 Gases: 21% O2; 0,03% CO2; 79% mistura de
gases (argônio, xenônio, criptônio) e N2
correspondendo a 71%.
 Atmosfera não homogênea (a pressão
atmosférica varia com a altitude);
Biofísica da respiração
Tabela: Pressões parciais dos gases respiratórios ao entrarem e saírem dos pulmões (ao nível do mar)
(GUYTON; HALL, 2002).
Biofísica da respiração
Efeitos da Hipoxemia
 Visuais
 Diplopia
 Redução da visão em ambiente escuro
 Cardíacos
 Taquicardia
 Angina
 Neurológicos
 Confusão Mental
 Incoordenação Motora
 Distúrbios do Comportamento
Biofísica da respiração
Aparelho Respiratório
 Vias Aéreas
 Pulmões
 Caixa Torácica
Biofísica da respiração
Aparelho Respiratório
Biofísica da respiração
 Tubos respiratórios e alvéolos
Figura: Dicotomização das vias aéreas
mostrando as estruturas desde a traquéia até
os alvéolos pulmonares. T – traquéia; B –
brônquios; b – bronquíolos; br – bronquíolos
respiratórios; DA – ductos alveolares; A –
alvéolos (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Parede torácica
 Formada por pele, tecido celular subcutâneo,
arcos costais, esterno, clavículas, coluna dorsal,
ligamentos, músculos, pleura parietal, vasos e
nervos.
Biofísica da respiração
 Músculos Inspiratórios
 Diafragma
 Intercostais externos
 Grande peitoral
 Músculos Expiratórios
 Musculatura da parede 
abdominal 
 Transverso do 
abdômen
 Oblíquo externo
 Oblíquo interno
 Reto abdominal
 Musculatura da parede 
torácica
 Triangular do esterno
 Intercostais internos
Biofísica da respiração
 Mecânica da 
respiração
 Movimentação dos 
pulmões
 Expansão pulmonar 
e pressão pleural
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Movimentação dos
pulmões
 Freqüência respiratória:
varia com a idade, com o
exercício e está alterada
em alguns estados
patológicos;
Biofísica da respiração
 Mecânica da
respiração
 Medidas espirográficas
 Espirômetro
 Método de diluição de
Hélio
Figura: Espirômetro (GUYTON; HALL, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Medidas espirográficas
Figura: Diagrama mostrando as excursões respiratórias durante a respiração normal e durante a
inspiração máxima e a expiração (GUYTON; HALL, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Medidas espirográficas
Tabela: Volumes e capacidades pulmonares em indivíduos normais (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Escoamento do ar nas vias aéreas
 Tipos de escoamento
 Descoberta de Bernoulli
Figura: Efeito Bernoulli. O esquema
mostra que há uma dependência inversa
entre a velocidade do fluxo (v) e a pressão
(P) que o fluido exerce sobre as paredes
do tubo (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Complacência pulmonar
 É a propriedade que corpos ocos elásticos possuem de
aumentar de volume quando submetidos a uma
determinada pressão.
Figura: Estudo da complacência do pulmão de gato. Pressões de insuflação pulmonar aplicadas ao nível
da traquéia; curvas de enchimento pulmonar. O coeficiente angular (gráfico) dessa reta é uma medida da
complacência do pulmão estudado (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Complacência pulmonar específica
Figura: Complacência pulmonar
específica. No gráfico volume-pressão
estão as retas obtidas no estudo com dois
pulmões (A e B), com um pulmão (B) e
com 1/3 de pulmão (A). Ao lado estão os
cálculos da complacência que diminui
com a redução do volume pulmonar
disponível (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Mecânica da respiração
 Variações na complacência pulmonar
 Fibrose alveolar difusa
 Enfisema pulmonar
 Quanto mais distendido o órgão estiver menor é a
complacência.
Figura: Experimento de von Neergaard
com pulmão de gato. A curva 1 foi obtida
insuflando-se o pulmão com solução
salina e a curva 2, com ar atmosférico. A
maior facilidade em distender o pulmão
com líquido levou von Neergaard a
pensar na existência de uma tensão
superficial no interior do pulmão
(GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Tensão superficial
 Líquido em contato com um gás;
 A tensão superficial tem direção longitudinal à superfície
do líquido e constitui-se num tipo especial de força de
coesão.
Figura: Esquema para mostrar a
disposição das forças que atuam sobre
uma molécula da massa líquida. As
moléculas que estão no interior do líquido
estão sendo atraídas por muitas forças
externas que se anulam mutuamente.
Todavia as que se encontram na
superfície estão sendo puxadas para o
interior do líquido. Isso faz aparecer uma
tensão superficial na interface líquido-ar
(GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Tensão superficial
 Unidades da tensão superficial: J . m-2 ou N . m-1
 Medida da tensão superficial:
Figura a e b: a) Fotografia tomada no momento da retirada de um anel metálico
imerso num líquido, mostrando a formação de uma película aderente que tende a
puxar o anel de volta para o interior do fluido; b) Método para medir a tensão
superficial de uma película de fluido. A haste (H) é móvel. A película de fluido puxa a
haste com uma força T. Força equilibrante F é uma medida da tensão superficial
(GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Tensão superficial
 Valor de referência da tensão superficial
Tabelas: 1) Tensão superficial de líquidos; 2)
Efeito da temperatura sobre a tensão superficial
da interface água-ar (GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Tensão superficial
 Sabões e detergentes
 Reduzem a tensão superficial dos líquidos com os se
misturam.
 Substâncias tensoativas e tensorredutoras
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Funções e produção de
surfactante
 Pneumócitos II;
 Proteínas de alto peso molecular
(SP-A e SP-D): exercem sua
função em cooperação com os
fosfolipídios para configurar as
propriedades tensorredutoras do
surfactante;
 Peptídeos (SP-B e SP-C):
absorção e manutenção do filme
de surfactante sobre a superfície
do alvéolo. Figura: Pneumócitos tipo II mostrando
corpos lamelares no seu interior
(GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Mecanismo tensorredutor
 Alvéolos comprimido;
 Alvéolos expandidos.
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Experimentos de Laplace
 Comportamento de bolhas de sabão.
P = 
1
R1
T . +
1
R2
Onde:
P – Pressão;
T – Tensão;
R1 e R2 – Raios externo e interno. 
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Experimentos de Laplace
 Tubos cilíndricos (vasos sanguíneos);
 Esferas.
P = 
T
R
P = 
2T
R
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Comportamento laplaciano das
bolhas de sabão
Figura: Comportamento laplaciano da bolha
de sabão formada na extremidade de um
canudo como se indicanos esquemas à
direita. Foram destacados os momentos A
(raio de curvatura de 150μm), B (raio de
curvatura de 50μm, C (raio de curvatura
100μm) e D (raio de curvatura 150μm) Os
volumes das bolhas bem como as pressões
internas, estão representadas no gráfico.
(GARCIA, 2002).
Biofísica da respiração
 Surfactante alveolar
 Surfactante e ventilação dos alvéolos
 MEAD (1960): os alvéolos de pequeno raio devem
exercer uma pressão de retração maior do que os
alvéolos de grande raio.