Biofísica da Respiração

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BIOFÍSICA DO
SISTEMA RESPIRATÓRIO
Adriana Fontes / adri-fontes@uol.com.br
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 QUEPAREDE 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).
NÚMERO DE 
BRAÇOS
TRAQUÉIA
BRÔNQUIO PRIMÁRIO
TERMINAL DO 
BRONQUÍOLO
ZONA DE CONDUÇÃO
COMPONENTES DO APARELHO RESPIRATÓRIO:
ZONA DE TRANSIÇÃO
ÁRVORE 
BRONQUIAL
BRÔNQUÍOLOS
RESPIRATÓRIO
500.000
SACOS ALVEOLÁRES
8 MILHÔES
TERMINAIS DOS 
BRONQUÍOLOS
60000
ALVÉOLOS
ZONA DE RESPIRAÇÃOZONA DE RESPIRAÇÃO
GÁS -> FLUIDO
Q = (P1 – P2) / R
R = (8 η L) / (pi r4)
ESCOAMENTO LAMINAR OU TURBULENTO
R = (8 η L) / (pi r4)
P = F /A
ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIA
FLUXO TURBULENTO E TRANSICIONAL É
MAIS PROVÁVEL DE OCORRER NA
GÁS -> FLUIDO
2000
4000
 : laminar flow
Re 2000 - 4000 : transitional flow
: turbulent flow
<


>
TRAQUÉIA. FLUXO LAMINAR É MAIS
PROVÁVEL EM PEQUENAS VIAS AÉREAS.
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
P1 -> PRESSÃO NOS PULMÕES E P2 -> PRESSÃO
ATMOSFÉRICA.
FAZENDO P2 = 0 -> AR ENTRA NOS PULMÕES QUANDO P1 É
NEGATIVA (SUBATMOSFÉRICA) E SAI QUANDO P1 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.
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
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.
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?
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 DEPODEMOS USAR COMO SINÔNIMO DE
COMPLACÊNCIA -> DISTENBILIDADE. UM OBJETO
COM GRANDE COMPLACÊNCIA SE DISTENDE
FACILMENTE COM POUCA PRESSÃO. ASSIM,
QUANDO O PULMÃO TEM ALTA COMPLACÊNCIA ->
UMA PEQUENA VARIAÇÃO DE PRESSÃO PODE
RESULTAR EM UMA GRANDE VARIAÇÃO DE
VOLUME.
A COMPLACÊNCIA DO PULMÃO DIMINUI CONFORME O VOLUME AUMENTA.
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
FORÇAS ADESIVAS E COESIVAS
FORÇAS ADESIVAS E COESIVAS NOS FLUIDOS DENTRO E FORA DO PULMÃO TAMBÉM TEM
PAPEL IMPORTANTE NA RESPIRAÇÃO.
FORÇAS ENTRE MOLÉCULAS PODEM SER ATRATIVAS OU REPULSIVAS. FORÇAS ATRATIVAS
ENTRE MOLÉCULAS DO MESMO TIPO SÃO CHAMADAS COESIVAS E ENTRE MOLÉCULAS
DIFERENTES SÃO CHAMADAS ADESIVAS.
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.
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
FORÇAS 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
A. CANCELAMENTO SIMÉTRICO DAS
FORÇA DE ATRAÇÃO INTRA-
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.
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.
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
TENSÃO SUPERFICIAL
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
TENSÃO SUPERFICIAL
A IMPORTÂNCIA DA TENSÃO SUPERFICIAL NOS PULMÕES PODE SER COMPROVADA 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 EXALA, SEU ALVÉOLO CRIA UMA MENOR PRESSÃO E O AR QUE SAI É MENOS QUE O
NORMAL.
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
TENSÃO SUPERFICIAL - SURFACTANTE
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
TENSÃO SUPERFICIAL - 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.
MECÂNICA RESPIRATÓRIA
TENSÃO SUPERFICIAL - 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) ->
MENORA TENSÃO SUPERFICIAL -> MENOR A PRESSÃO.MENOR A TENSÃO SUPERFICIAL -> MENOR A PRESSÃO.
QUANTO MAIOR O ALVÉOLO -> MENOR O PAPEL DO SURFACTANTE (MENOS CONCENTRADO) ->
MAIOR A TENSÃO SUPERFICIAL -> MAIOR A PRESSÃO.
ISSO FAZ QUE ALVÉOLOS MAIORES E MENORES TENHAM APROXIMADAMENTE A MESMA PRESSÃO E
TRABALHEM ENTÃO COOPERATIVAMENTE.
EXERCÍCIO
CALCULE A PRESSÃO EM mmHg DENTRO DE:
(A) DE UMA BOLHA DE ÁGUA DE RAIO DE 2X10-2 cm, CONSIDERE T = 0,072N/m. (B) DE UMA
BOLHA CINCO VEZES MAIOR (COM RAIO DE 1X10-1 cm), CONSIDERE T = 0,072N/m, E (C) DE
UMA BOLHA DE ÁGUA COM RAIO DE 2X10-2 cm COM SURFACTANTE QUE REDUZ A TENSÃO
SUPERFICIAL PARA 0.037N/m.
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.
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 CONCENTRAÇÃO ENTRE AS REGIÕES.
A VELOCIDADE DESSAS MOLÉCULAS DEPENDE DA MASSA E DA TEMPERATURA. É MAIOR PARA
MOLÉCULAS MENORES E ALTAS TEMPERATURAS.
C = m/V e CM = n/V - J = ∆∆∆∆m/∆∆∆∆t = -DA ∆∆∆∆C/∆∆∆∆x
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.
A DIFUSÃO AQUI OBEDECE A LEI DE FICK, MAS A TAXA DE TROCA É BASTANTE AFETADA PELA
PRESENÇA DA HEMOGLOBINA. A HEMOGLOBINA TEM AFINIDADE POR OXIGÊNIO. POR CAUSA
DA HEMOGLOBINA A TAXA DE DIFUSÃO TAMBÉM DEPENDE DA ACIDEZ DO SANGUE, PRESENÇA
DE GÁS CARBÔNICO E TEMPERATURA.
PARA OS NOSSOS PROPÓSITOS BASTA PENSAR QUE A TROCA DE GÁS SEGUE A SIMPLES
DIFUSÃO.
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
PRESSÕES PARCIAIS – LEI DE DALTON
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.
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.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
pO2 = 100 mmHg TECIDOSPULMÕES
VEIAS
pO2 = 100 mmHg
pCO2 = 40 mmHg
pO2 = 40 mmHg
pCO2 = 46 mmHg
TECIDOSPULMÕES
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
AWRQP ⋅=∆ &
2211 VPnRTVP ==
totali
total
total
i
i
PC
P
n
nP
⋅=
⋅=
GÁS IDEAL
gasfluid PkC ⋅= solubility
dx
dCDAVgas ⋅−=&
MW
k
D solubility∝
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.