MÓDULO 13 - Controle químico e neural da respiração

Prévia do material em texto

Módulo 13 - Controle químico e neural da respiração 
Prof. Davi 
 
 
 
A respiração é gerada e modulada por três elementos básicos: 
 sensores, que reúnem informações e as levam para 
 centros de controle central no cérebro, os quais coordenam as informações e, por 
sua vez, enviam impulsos para os 
 efetores (músculos respiratórios), que promovem a ventilação 
 Os centros de controle central, como o grupo respiratório dorsal, ventral e pontino, geram 
a atividade rítmica e padrões respiratórios, sendo esses modulados por sensores (meio de 
aferência de informações), que, a fim de que haja alterações para manter a homeostasia, e 
transmissores para os elementos efetores. 
Alguns exemplos de sensores são quimiorreceptores centrais, quimiorreceptores 
periféricos, receptores de estiramento, receptores de irritação, receptores j-pulmonares, 
receptores músculos,tendões, articulações. Já exemplos de efetores são: diafragma, músculos da 
boca e garganta, músculos intercostais e músculos acessórios. 
O grupo respiratório ventral é responsável pela pelo ritmo da respiração, através da 
geração do sinal inicial da inspiração. É responsável pela geração e sincronização do ritmo 
inspiratório. O grupo dorsal e pontino são responsáveis pela modulação, pelo padrão da 
respiração. 
 
 
 
 
Alguns exemplos de sensores são quimiorreceptores centrais, quimiorreceptores 
periféricos, receptores de estiramento, receptores de irritação, receptores j-pulmonares, 
receptores músculos,tendões, articulações. São esses sensores os responsáveis por levar 
informações aos centros de controle central. 
Mudanças nos níveis de CO2, O2, H
+ no sangue arterial desempenham grande papel na 
regulação da frequência respiratória e volume corrente 
Como detalhado, os quimiorreceptores são classificados em centrais e periféricos. 
Quimiorreceptores não são células que respondem apenas a variação de pressão, mas que 
também se comunicam com os neurônios que gerem a respiração, alterando-a. Ou seja, são 
células especializadas em detectar modificações na PaCO2 e na PaO2. 
 
 
 
 
Quim. centrais (neurônios) – detectam PaCO2 / pH 
Quim. periféricos (corpúsculo carotídeo) – detectam PaO2 , PaCO2 / pH 
 
Os quimiorreceptores centrais são neurônios sensíveis à variação de PaCO2 e de pH 
localizados na superfície ventral do bulbo. Os quimiorreceptores centrais são circundados por 
líquido extracelular cerebral (LEC) e respondem a alterações na concentração de H+. 
A composição do LEC ao redor dos receptores é controlada pelo líquido cefalorraquidiano 
(LCR), pelo fluxo de sangue e pelo metabolismo local. Desses fatores, o LCR é aparentemente o 
mais importante. Encontra-se separado do sangue pela barreira hematoencefálica, a qual é 
relativamente impermeável aos íons H+ e HCO₃⁻, embora as moléculas de CO₂ se difundam por ela 
com facilidade. 
Quando a PCO₂ sanguínea aumenta, o CO₂ 
proveniente dos vasos sanguíneos cerebrais se difunde pela 
barreira hemato-encefálica e reage com a H2O, formando 
prótons H+. A diminuição do pH do liquor, excita os 
quimiorreceptores centrais localizados no bulbo, os quais 
modulam a atividade dos neurônios respiratórios bulbares, 
resultando um aumento da ventilação alveolar (aumento do 
volume corrente e aumento da frequência respiratória) 
como objetivo de normalizar o aumento de PaCO2. O 
aumento da ventilação tem como objetivo reduzir a PaCO2 
para níveis normais 
O centrais são os importantes na modulação da respiração momento a momento. 
Assim, o nível de CO₂ no sangue regula a ventilação principalmente por intermédio do 
efeito que exerce sobre o pH do LCR. A hiperventilação resultante reduz a PCO₂no sangue e, 
 
 
portanto, no LCR. A vasodilatação cerebral que acompanha a elevação da PCO₂arterial aumenta a 
difusão do CO₂ para o LCR e o LEC. 
 
Os Quimiorreceptores periféricos estão localizados 
na bifurcação carotídea, no corpúsculo carotídeo e arco 
aórtico. São constituídos de células ávidas por oxigênio, 
chamadas de células glomo, e são células ativadas pela 
redução da PaO2 (hipoxemia). O corpúsculo carotídeo tem 
presença de células quimiossensíveis que detectam as 
variações da pressão parcial de oxigênio do sangue arterial, 
tem alta atividade metabólica. 
Essas células mantêm o cálcio pra fora, mas quando 
abaixa o PaO2, altera a retirada de cálcio para fora, o qual 
aumenta no meio intracelular, estimulando a liberação de 
vesículas com neurotransmissor (quando a PO2 diminui). 
A ativação dos quimiorreceptores periféricos 
promove um aumento da ventilação, uma vez que sua 
ativação na diminuição de PaO2 resulta em estímulos 
excitatórias para os núcleos respiratórios do bulbo e da 
ponte, e assim, ocorre um aumento da frequência respiratória e do volume corrente. 
No bulbo, resposta: aumento da PA, resposta simpática, nos ventrículos tem atividade 
simpática para contratilidade, aumento da freqüência pulmonar pela ativação do grupo ventral, e 
promove mudanças comportamentais. 
Os quimiorreceptores periféricos são responsáveis por todo o aumento da ventilação que 
ocorre nos humanos em resposta à hipoxemia arterial. Também pode detectar mudança na 
concentração de lactato e de ATP, e por substancias que mimetizam uma situação de hipóxia. 
 
 
Receptores de estiramento pulmonar - Controle 
da profundidade da inspiração 
 Mecanoreceptores ativados quando há 
uma expansão das paredes pulmonares durante a 
inspiração; 
 Informações sobre o grau de estiramento 
pulmonar, limitando a profundidade da inspiração; 
 Proteção contra o estiramento excessivo 
dos pulmões. 
 
 
 
 
 
Como dito anteriormente, a respiração é gerada e modulada por três elementos básicos, 
sendo que os centros de controle central recebem informações dos sensores e enviam impulsos 
para os efetores, após a coordenação das informações. 
Os neurônios responsáveis pela geração e controle da atividade motora respiratória estão 
localizados no tronco cerebral. 
 
O centro respiratório é composto de vários grupos de neurônios localizados bilateralmente 
no bulbo e na ponte. É dividido em três 
grandes grupos de neurônios: 
(1) um grupo respiratório ventral, 
localizado na região ventrolateral do bulbo, 
responsável tanto pela expiração quanto 
pela inspiração, dependendo dos neurônios 
que são estimulados; são responsáveis pela 
geração do ritmo respiratório 
 (2) um grupo respiratório dorsal, 
localizado na região dorsal do bulbo, 
responsável principalmente pela inspiração; 
modula o padrão de respiração 
 (3) o centro pneumotáxico 
(respiratório pontino), localizado 
dorsalmente na região superior da ponte, e 
que ajuda a controlar tanto a frequência 
quanto o padrão da respiração. 
 
 
 
 
O padrão respiratório consiste de inspiração, pós-inspiração e expiração final. 
 
O grupo respiratório dorsal modula o padrão da atividade respiratória, nas suas 3 fases, 
inspiração e fases da expiração. Esse grupo estende-se por quase todo o bulbo e seus neurônios, 
em sua maioria, situam-se no interior do núcleo do trato solitário. O NTS corresponde à 
terminações sensorial dos nervos vago e glossofaríngeo, que transmitem sinais sensoriais ao 
centro respiratório a partir de quimiorreceptores periféricos, barorreceptores e vários tipos de 
receptores nos pulmões, participando assim do reflexo Hering-Breuer. 
Esse grupo é o responsável por gerar o ritmo respiratório de base, em que seus neurônios 
geram surtos repetitivos de potenciais de ação neuronal inspiratória. Mesmo quando todas as 
terminações nervosas periféricas que entram no bulbo são seccionadas e o troncoencefálico 
também é seccionado acima e abaixo do bulbo, este grupo de neurônios ainda emite, 
repetitivamente, potenciais de ação inspiratórios. A causa básica dessas descargas repetitivas, 
porém, ainda é desconhecida. 
O sinal inspiratório ocorre “em rampa”, iniciando-se muito fraco e aumentando 
progressivamente por cerca de dois segundos. Em seguida, cessa abruptamente por cerca de três 
segundos e permite a retração elástica da caixa torácica e dos pulmões causando a expiração. O 
centro pneumotáxico limita a duração da inspiração e aumenta a frequência respiratória. 
A vantagem óbvia da rampa está na indução de um aumento constante no volume dos 
pulmões durante a inspiração, e não "golfadas" inspiratórias. 
Há duas qualidades da rampa inspiratória passíveis de controle: 
 controle da velocidade de aumento do sinal em rampa, de modo que durante uma 
respiração mais intensa, a rampa cresça com rapidez e, dessa forma, promova a 
rápida expansão dos pulmões 
 controle do ponto limítrofe de interrupção súbita da rampa. Esse é o método usual 
de controle da frequência respiratória, ou seja, quanto mais precocemente a rampa 
sofrer interrupção, menor será a duração da inspiração, reduzindo também a 
duração da expiração, e ocorrendo, assim, um aumento da frequência respiratória. 
 
Neurônios do GRD se projetam para o grupo respiratório ventral (GRV), a fim de modificar 
as eferências deste para os motoneurônios medulares relacionados com os músculos diafragma, 
intercostais, abdomnais e acessórios da respiração. 
 
 
 Existem seis tipos de neurônios nos três grupos respiratórios, no entanto, apenas do grupo 
ventral gera o ritmo. 
 
 
O grupo ventral é localizado na superfície ventral do bulbo e está próximo das estruturas 
do simpático. É responsável pela geração do sinal inicial para que haja respiração, ou seja, é 
responsável pela geração e sincronização do ritmo inspiratório. Possui 6 populações diferentes de 
neurônios. 
O grupo ventral é encontrado no núcleo ambíguo rostralmente e permanece quase 
totalmente inativo durante a respiração normal em repouso. Quando há necessidade de altos 
níveis de ventilação pulmonar, essa área opera mais ou menos como um mecanismo multiplicador. 
Dessa forma, o grupo ventral é essencialmente importante na respiração forçada. A estimulação 
elétrica de alguns dos neurônios no grupo ventral provoca inspiração, enquanto a estimulação de 
outros leva à expiração. Eles são especialmente importantes na provisão de sinais expiratórios 
vigorosos aos músculos abdominais durante a expiração muito intensa. (Guyton) 
 
Complexo pré-Botzinger: uma área de neurônios que é rostral ao GRV e considerada de 
importância central para a geração do ritmo. 
Complexo Botzinger: uma área expiratória logo caudal ao núcleo facial 
 O Complexo de Botzinger contém neurônios inspiratórios e expiratórios, aqueles enviando 
seus axônios para o Núcleo Ambíguo, isto é, para o GRV, enquanto estes emitem seus axônios em 
direção do GRD (NTS). 
Uma região pequena próxima à terminação rostral da coluna ventrolateral que se estende 
do Núcleo Facial até a medula espinhal, chamada COMPLEXO PRÉ-BOTZINGER tem sido 
considerada o cerne da ritmogênese respiratória (gerador do Ritmo Respiratório). 
 
 
 
 
O grupo respiratório pontino é localizado na região dorsal e lateral da ponte. É 
responsável pela geração de padrão. Modulam a transição entre inspiração e expiração do ciclo 
respiratório. Lesão gera prolongamento da inspiração (apneuse) 
Os neurônios respiratórios pontinos apresentam atividade tanto inspiratória quanto 
expiratória, e acredita-se que eles tenham como função a modulação do padrão básico gerado no 
bulbo, suavizando a transição entre as fases do ciclo respiratório. De maneira geral, os neurônios 
localizados no grupamento pontino respiratório modulam as aferências relacionadas com as 
variações de volumes pulmonares. Todavia, a ponte não é essencial para a gênese da respiração. 
 
 
 
 
 
 
Os grupos respiratórios apresentam vários grupos de neurônios que determinam cada 
ritmo da respiração. Pre-Botz tem atividade como marca-passo, determinando o ritmo 
respiratório. 
Os pré-inspiratórios são o marco-passo, ou seja, se auto-despolarizam, gerando o ritmo 
quando não são inativados pelos excitatórios. Os neurônios de rampa dão a característica da 
inspiração em rampa, no começo a inspiração é difícil e depois fica gradualmente mais fácil. 
Quando eles estão ativos, tem a atividade do nervo frênico para o diafragma. 
O pré inspiratórios agem no neurônios que inervam a glote das vias aéreas, diminuindo a 
resistência via nervo laríngeo superior, e os inspiratórios de rampa agem nos músculos diafragma 
e intercostais através do nervo frênico. 
Rampa: o padrão do disparo da PA começa devagar e vai aumentando. 
Pelo reflexo de estiramento pulmonar, a inspiração prolongada leva a expansão do 
pulmão que ativam mecanorreceptores que levam a informação via nervo vago para o NTS, no 
grupo respiratório dorsal. Com isso, a informação vai para o ventral, em que os neurônios 
expiratórios são ativados, inibindo por conseqüência os neurônios pré-inspiratórios. Com a 
expiração, diminui o estiramento cessando o estimulo de estiramento, com isso os expiratórios 
diminuem sua atividade, tornando ativo novamente os pré-inspiratórios. 
Uma característica da expiração, é o fechamento da glote a fim de que esse processo seja 
gradual, controlando o tempo de esvaziamento do pulmão, e aumentando o tempo em que o gás 
fica nos alvéolos, evitar que as vias aéreas se colabem. Na transição inspiração e expiração, 
através do grupo pontino, ocorre modulação do ritmo, ativando os neurônios pós inspiratórios, os 
quais inibem os neurônios pre-inspiratorios, fechando, então, a glote. 
 
Durante a expiração, o frênico está inativo, desse modo, a expiração é passiva 
motoralmente e ativa neuronalmente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O controle respiratório do equilíbrio ácido-
base ocorre com aumento ou redução na excreção 
de CO₂ pela respiração. 
Quando cai o pH e aumenta CO₂, ativa os 
sensores de hidrogênio, pH e CO₂ no sistema nervoso central, na superfície ventral do bulbo. Com 
isso, há aumento da frequência respiratória e a ventilação, resultando em uma maior eliminação 
de CO₂ para equilibrar os níveis de H⁺. Ocorre, então, hiperventilação na acidose metabólica. 
No entanto, a freqüência respiratória só ajuda a curto prazo, porque não pode eliminar 
muito CO2, uma vez que é essencial para a respiração. 
Na alcalose metabólica ocorre o inverso, há aumento do pH, redução de pCo₂. Dessa 
forma, há diminuição da ativação da porção ventral do bulbo o que resulta em diminuição da 
frequência respiratória, redução da ventilação. Haverá, portanto hipoventilação, com 
deslocamento para isobárica maior, de modo a aumentar a formação de H⁺ e reduzir a alcalose. 
Entretanto, a hipoventilação não pode ser muito acentuada, pois se não a pressão parcial de 
oxigênio cai muito e a ventilação aumentaria novamente. 
Em distúrbios de ph, o sistema respiratório não é tão efetivo, compensando parcialmente. 
O sistema renal complementa esse processo. 
 
 
 
No exercício físico há aumento no consumo de O₂ e por consequência há aumento na 
produção de CO₂. O aumento de CO₂ desloca o sistema tampão para maior formação de H⁺ e 
bicarbonato, dessa forma há redução do pH, aumento da acidez sanguínea. Assim, há 
hiperventilação a fim de diminuir o aumento de PaCO2. Desse modo, com a ventilação alterada, a 
PO2, PCo2 e pH arteriais permanecem quase exatamente normais (principalmente em exercícios 
de baixa intensidade e longaduração). 
 
 
Durante o exercício aumenta a ventilação, no entanto, muitas vezes, o aumento da 
ventilação ocorre antes de começar o exercício. Existem diferentes fases do exercício, como a 
atividade dos sensores nas articulações, músculos e tendões, em que não há alteração química no 
sangue e há influência de centros corticais superiores ("comando central"). 
 Com a hiperventilação, a pressão parcial de CO₂ cai, a resposta inicial de pH cai, há uma 
alcalose inicialmente. Localmente pode haver aumento na produção de CO₂. Mas à medida que 
continua o exercício tem uma tendência de normalizar pressão parcial de CO₂. Há aumento do CO₂ 
no sangue quando cessa o exercício porque continua produzindo CO₂ e reduz a ventilação. 
 
 
(West)Éinacreditável que a causa do aumento da 
ventilação ao exercício continue amplamente 
desconhecida. A PCO₂arterial não se eleva com a prática 
do exercício; na verdade, de modo geral, diminui 
ligeiramente durante o exercício intenso. Via de regra, a 
PO₂arterial sofre pouca elevação, embora possa reduzir 
em níveis de trabalho muito altos. O pH arterial 
permanece quase constante com o exercício moderado; 
contudo, durante o exercício pesado, diminui em 
decorrência da liberação de ácido lático pela glicólise 
anaeróbica. Fica claro, portanto, que nenhum dos 
mecanismos que discutimos até agora pode ser 
responsabilizado pelo grande aumento.Outros estímulos 
foram sugeridos. O movimento passivo dos membros 
estimula a ventilação tanto em animais anestesiados 
quanto em humanos conscientes; consiste em um reflexo com receptores presumivelmente 
localizados nas articulações ou nos músculos. Pode ser responsável pelo incremento abrupto na 
ventilação que ocorre durante os primeiros segundos do exercício. v ma hipótese sugere que as 
oscilações na PCO₂e na PO₂arteriais estimulam os quimiorreceptores periféricos, mesmo que o 
nível médio permaneça inalterado. Essas flutuações são causadas pela natureza periódica da 
ventilação e aumentam quando o volume corrente cresce como no exercício. Outra teoria alega 
que os quimiorreceptores centrais aumentam a ventilação com o objetivo de manter a PCO₂arterial 
constante por intermédio de algum servomaecanismo (isto é, um circuito mecânico controlado 
eletricamente), assim :orno um termostato é capaz controlar uma caldeira com pouca alteração .:e 
temperatura. A objeção de que a PCO₂arterial muitas vezes reduz com o exercício é contestada 
pela afirmação de que o nível de PCO₂ preferencial é estabelecido de alguma maneira. 
Proponentes dessa teoria acreditam que a resposta ventilatória ao CO₂ inalado não pode ser 
considerada um guia confiável daquilo que acontece ao exercício. 
Outra hipótese sugere ainda que a ventilação esteja ligada, de alguma forma, à carga 
adicional de CO₂ oferecida aos pulmões pelo sangue venoso misto durante o exercício. Em 
experiências com animais, o aumento dessa carga, produzido tanto pela infusão de CO₂ no sangue 
venoso quanto pelo aumento do retorno venoso, mostrou que se correlaciona bem com a 
ventilação. No entanto, o fato de que nenhum receptor adequado fora encontrado constitui um 
problema para essa hipótese. 
Outros fatores que foram sugeridos incluem o aumento da temperatura corporal durante o 
exercício, o que estimula a ventilação, e os impulsos provenientes do córtex motor. No entanto, 
nenhuma das teorias propostas até agora e completamente satisfatória. 
 
 
 
 
 
Mecanorreceptores são ativados pela expansão das paredes pulmonares durante a 
inspiração. São responsáveis por informações sobre o grau de estiramento pulmonar, limitando a 
profundidade da inspiração; e pela proteção contra o estiramento excessivo dos pulmões. 
Reflexo de Hering-Breuer - aumento do volume pulmonar (expansão) promove inibição dos 
neurônios inspiratórios (atividade central inspiratória), eliminando a atividade excitatória para os 
músculos inspiratórios. Isto é, diminui-se padrão inspiratório. 
 Os receptores de estiramento tem a informação subindo via nervo vago até o grupo 
respiratório dorsal, depois vai para o grupo pontino. E do pontino vai para o ventral para inibir a 
inspiração. 
Permite a transição inspiração-expiração 
 
 
 
 
 
Em altas altitudes, há uma redução da PO2, resultando em uma ativação do corpúsculo 
carotídeo, e, por consequência, um aumento da ventilação (hiperventilação). Nessa situação, 
também há diminuição da pressão de CO2, resultando em alcalose respiratória, mas que é 
compensada pela excreção renal de HCO3. 
Se o indivíduo se deslocar para altitudes elevadas se maneira progressiva, ocorre 
aclimatação, ou seja, adaptações benéficas. 
Com o tempo há aumento de células vermelhas pela liberação de eritropoietina, que é 
produzida no córtex renal, então mesmo com a saturação de oxigênio baixa, a quantidade de 
células que transportam é maior (o conteúdo é maior). 
Há também um aumento no número de capilares para aumentar a difusão na barreira 
hematogasosa. Ocorre um aumento da sensibilidade do corpúsculo. Além disso, as hemácias 
produzem mais 2,3-DPG, diminuindo a afinidade de Hb pelo O2, e liberando-o mais nos tecidos 
Mal da montanha acontece quando a subida é muito rápida e não há tempo suficiente para 
aclimatar. O indivíduo pode ter uma hipertensão pulmonar.