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Natália Parduci Fisiologia da Respiração – Margarida Organização Morfofuncional do Sistema Respiratório (SR) Função básica do SR é suprir demanda de O2 e remover CO2. Nos humanos, a área de troca gasosa é de 70 a 100 m2. Para que ocorra a troca gasosa, a estrutura que separa o gás alveolar e o sangue é bem fina, tem 0,5 micrômetro. Pulmões também participam do equilíbrio térmico, pois, com o aumento da ventilação, há maior perda de calor e água. Participam da regulação do pH, pela quantidade de CO2 no sangue. Ainda, realiza filtração de eventuais êmbolos vindos da circulação venosa. O endotélio pulmonar também produz substâncias vasoativas. Por fim, tem-se a função de defesa contra ataques agressores e a fonação. O sistema respiratório dos mamíferos é compreendido pela zona de transporte gasoso, formada pelas vias aéreas superiores e árvore traqueobrônquica, encarregadas de acondicionar e conduzir o ar até a intimidade dos pulmões; pela zona respiratória, onde efetivamente se realizam as trocas gasosas; e por uma zona de transição, interposta entre as duas primeiras, onde começam a ocorrer trocas gasosas, porém a níveis não-significativos. Zona de Transporte O ar inspirado passa pelo nariz ou pela boca indo para a orofaringe. Em seu trajeto pelas vias aéreas superiores, o ar é filtrado, umidificado e aquecido até entrar em equilíbrio com a temperatura corporal. Além disso, também há filtração de partículas maiores. A respiração nasal é a mais comum e tem duas importantes vantagens sobre a respiração pela boca: filtração e umidificação do ar inspirado. Entretanto, em situações de obstrução nasal ou exercícios, a respiração passa a ser feita principalmente pela boca. A árvore traqueobrônquica ou zona de transporte aéreo se estende da traqueia até os bronquíolos terminais. A traqueia se bifurca as simetricamente, com brônquio fonte direito com menor ângulo com a traqueia em relação ao esquerdo. Logo, a inalação de corpos estranhos vai preferencialmente para o brônquio fonte direito. Vai bifurcando até a virar bronquíolos terminais (cerca de 15 divisões depois). A remoção de partículas poluentes, contudo, não se faz somente nas vias aéreas superiores. A cada bifurcação do sistema de condução há geração de turbulência, com consequente impactação de partículas. Também com a progressiva bifurcação do sistema de condução ocorre um aumento da área de seção transversa total do sistema tubular, com consequente diminuição da velocidade do ar conduzido. Este fato leva à deposição de partículas em suspensão pela simples falta de sustentação aerodinâmica. As partículas removidas do ar por esses processos caem sobre a camada de muco que recobre o sistema de condução, e com o muco são removidas em direção à glote pelos batimentos ciliares das células que formam o epitélio dessa região. Zona de Transição e Respiratória A zona de transição se inicia no nível do bronquíolo respiratório, caracterizado pelo desaparecimento das células ciliadas do epitélio bronquiolar. Os bronquíolos respiratórios também se diferenciam por apresentarem, espaçadamente, sacos alveolares e também por se comunicarem diretamente com os alvéolos por meio de pequenos poros em suas paredes, denominados canais de Lambert. A partir do último ramo do bronquíolo respiratório surgem os ductos alveolares, que, por sua vez, terminam em um conjunto de alvéolos, os sacos alveolares. A zona respiratória, então, é constituída pelos ductos e sacos alveolares e alvéolos. A unidade alvéolo-capilar é o principal sítio de trocas gasosas a nível pulmonar, sendo composta pelo alvéolo, septo alveolar e pela rede capilar. Os alvéolos são pequenas dilatações revestidas por uma camada de células, a maioria pavimentosas. O septo alveolar é constituído por vasos sanguíneos e fibras elásticas, colágenas e terminações nervosas. Os septos alveolares possuem descontinuidades denominadas poros de Kohn, que permitem a passagem de ar, líquido e macrófagos entre os alvéolos. A superfície alveolar é constituída por três tipos de células. O pneumócito tipo I ou célula alveolar escamosa é a célula mais frequente, apresenta pouca organela citoplasmática, recobre a maior parte da superfície alveolar e não consegue se regenerar, isto é, não tem potencial mitótico. O pneumócito tipo II ou célula alveolar granular é esférica e apresenta muitos microvilos em sua superfície. Essa célula contém muitas organelas celulares com grânulos osmofílicos (corpúsculos lamelares), que armazenam e secretam surfactante. O surfactante recobre a superfície alveolar reduzindo a tensão superficial. O pneumócito tipo II tem a capacidade de se regenerar e se transformar em pneumócito tipo I quando ele é lesado. Os macrófagos alveolares constituem uma pequena percentagem de células alveolares. Eles passam livremente da circulação para o espaço intersticial e, a seguir, passam pelos espaços entre as células epiteliais e se localizam na superfície alveolar. Os macrófagos têm função de fagocitar corpos estranhos, partículas poluentes e bactérias. Tendo em vista que não há trocas gasosas importantes entre o sangue capilar pulmonar e o ar até ser atingida a zona respiratória (quatro últimas subdivisões), o volume acumulado da traqueia até a 1 9a geração corresponde a Natália Parduci cerca de 150 mI. Tal volume, somado ao das vias aéreas superiores, representa o espaço morto anatômico. A inervação do sistema respiratório é basicamente autônoma. Não existe inervação motora ou sensitiva para dor, quer nas vias aéreas, quer no parênquima pulmonar. O local onde existe inervação sensitiva dolorosa é a pleura. Quatro são os componentes do sistema nervoso autônomo: sistemas paras simpático, simpático, não-adrenérgico não- colinérgico (NANC) inibitório e NANC excitatório. A atividade basal paras simpática parece ser a responsável pelo tônus broncomotor, que é mais importante nas vias aéreas mais centrais, sendo praticamente inexistente na periferia. As respostas simpáticas são mais difusas e generalizadas. Os nervos adrenérgicos inervam diretamente as glândulas mucosas, vasos sanguíneos e gânglios nervosos das vias aéreas. O sistema NANC foi assim denominado para designar um conjunto de fibras do sistema nervoso autônomo em que os neurotransmissores da junção neuroefetora não são a noradrenalina ou a acetilcolina. Trata-se de um conjunto heterogêneo e numeroso de fibras nervosas, com um grande número de neurotransmissores já identificados e de função ainda não completamente estabelecida, e que está presente em todos os órgãos estudados até o momento. O sistema NANC inibitório é responsável pelo relaxamento dos músculos lisos das vias aéreas, sendo o neurotransmissor responsável por esse efeito o óxido nítrico, apesar de durante muito tempo creditarem essa função ao peptídeo vasoativo intestinal (VIP). O sistema NANC excitatório tem como mediadores a neurocinina A, substância P e o peptídeo relacionado ao gene da calcitonina, que acarretam broncoconstrição. Movimentos Respiratórios A renovação constante do gás alveolar é assegurada pelos movimentos do tórax. Durante a inspiração a cavidade torácica aumenta de volume e os pulmões se expandem para preencher o espaço deixado. Com o aumento da capacidade pulmonar e queda da pressão no interior do sistema, o ar ambiente é sugado para dentro dos pulmões. A inspiração é seguida imediatamente pela expiração, que provoca diminuição do volume pulmonar e expulsão de gás. A expiração normalmente em uma duração correspondente a 1 ,3 a 1 ,4 vez a da inspiração. A expiração segue-se, normalmente sem pausa, a inspiração. Esta se faz pela contração da musculatura inspiratória, enquanto a expiração em condições de repouso é passiva, isto é, não há contração da musculatura expiratória. A contração dos músculos respiratórios depende de impulsos nervosos originados dos centros respiratórios (localizados no troncocerebral), às vezes diretamente de áreas corticais superiores e também da medula (em resposta a estímulos reflexos originados nos fusos musculares). Portanto, os movimentos respiratórios estão, até certo ponto, sob o controle volitivo, embora normalmente se processem de forma automática, sem a participação consciente do indivíduo. Durante um certo tempo, a respiração pode ser intencionalmente acelerada, lentificada ou mesmo interrompida. Essas modificações, entretanto, não se manterão por um longo tempo, posto que induzirão um distúrbio da homeostase, e o centro respiratório comandará respostas compensatórias, que suplantarão os estímulos corticais. Músculos Respiratórios- Inspiração Possuem altas resistência à fadiga, capacidade oxidativa e densidade capilar. Diafragma. Músculo mais importante. Tem formato de cúpula voltada cranialmente e separa a cavidade torácica da abdominal. Na realidade, o diafragma é constituído por dois músculos: o costal e o crural, inseridos em um tendão central não-contrátil. Ambos com origens diferentes, inclusive durante o desenvolvimento embriológico. O diafragma é inervado pelos nervos frênicos direito e esquerdo, originados nos segmentos cervicais 3, 4 e 5 (Fig. 39.2). O suprimento sanguíneo é feito pelas artérias mamária interna, intercostal, frênica inferior e superior, que produzem uma rede de anastomoses diminuindo o risco de infarto em presença de redução de fluxo sanguíneo. Durante a respiração basal a inspiração depende, principalmente, da contração do diafragma. Quando o diafragma se contrai, o conteúdo abdominal é forçado para baixo e para a frente, aumentando, por conseguinte, o diâmetro céfalo-caudal do tórax. Além disso, as margens das costelas são levantadas para cima e para fora, ocasionando o incremento do diâmetro ântero-posterior e látero-Iateral torácico. Quando o diafragma é paralisado, ele se move para cima, ao invés de descender, durante a inspiração. Tal fenômeno é denominado movimento paradoxal e decorre da queda da pressão intratorácica. Músculos Intercostais. Dividem-se em intercostal externo e intercostal interósseo interno. São inervados pelos nervos intercostais que emergem do primeiro ao décimo-primeiro segmentos torácicos da medula espinhal. Músculos internos atuam na expiração, enquanto os externos atuam na inspiração. Músculos Paraesternais (intercondral) e Esterno Triangular. Esses músculos se originam nas margens do esterno e se inserem na porção superior das costelas. A contração desses músculos auxilia no levantamento do gradil costal superior. Natália Parduci Os músculos intercostais paraesternais são cobertos em sua superfície interna por um fino músculo chamado esterno triangular ou transverso torácico. Em resumo, os músculos intercostais externos e paraesternais são inspiratórios, enquanto os intercostais interósseos internos e o esterno triangular têm função expiratória. Músculos Escalenos. A atividade dos músculos escalenos começa no início da inspiração, juntamente com o diafragma e a musculatura paraesternal, e atingem sua atividade máxima no final da inspiração. A contração do músculo escaleno eleva o esterno e as duas primeiras costelas, acarretando expansão para cima e para fora do gradil costal superior. Músculos Acessórios Esternocleidomastoideo. Principal. Vai do processo mastoideo e do osso occipital em direção ao manúbrio do esterno e porção medial da clavícula. Inervado pelo 11º par craniano e por alguns nervos da coluna cervical superior. Funciona mesmo em lesões altas. Uma vez contraído, o esternoceidomastoideo eleva o esterno e expande o gradil costal superior. Em condições normais, é ativo em hiperventilação (exercício) e altos volumes pulmonares. Outros músculos acessórios. Quando a demanda ventilatória exceder a capacidade dos músculos respiratórios primários da inspiração, ou quando houver disfunção de algum deles, músculos que usualmente são utilizados para manter a postura assumem o papel de músculos acessórios. A maioria desses músculos é oriunda do gradil costal e tem uma inserção extratorácica. Dentre esses músculos podemos citar: o trapézio, o grande dorsal, o peitoral maior e o elevador da espinha. Ademais, pode-se contar com o auxílio de músculos do pescoço e do abdômen. Músculos das vias aéreas superiores. A ativação elétrica dos músculos adutores da laringe (cricoaritenóide posterior) ocorre imediatamente antes da ativação do diafragma e persiste durante toda a inspiração. A ativação desses músculos mantém a estabilidade das vias aéreas superiores, reduz a resistência das vias aéreas e diminui o trabalho respiratório. Músculos Respiratórios- Expiração Normalmente, é um processo passivo. A retração dos tecidos distendidos e a liberação de energia armazenada promovem a expiração. Esse processo é lentificado e suavizado pela desativação lenta e gradual dos músculos inspiratórios previamente contraídos. Músculos Abdominais. Os músculos reto abdominal, oblíquos externo e interno e o transverso abdominal são os músculos expiratórios mais importantes. Esses músculos são inervados pelos segmentos inferiores da medula torácica. A contração concomitante desses músculos acarreta movimentação do gradil costal para baixo e para dentro, flexão do tronco e compressão do conteúdo abdominal para cima, deslocando o diafragma para dentro do tórax e reduzindo o volume pulmonar. Músculo Peitoral Maior e Transverso do Tórax. A parte clavicular do músculo peitoral maior se origina na porção medial da clavícula e no manúbrio do esterno e se direciona lateral e caudalmente para o úmero. A contração desse músculo desloca o manúbrio e as costelas superiores para baixo, comprimindo o gradil costal superior e aumentando a pressão intratorácica. Simultaneamente, o gradil costal inferior e o abdômen se movem para fora. O músculo transverso do tórax se localiza abaixo dos músculos paraesternais, origina-se na metade inferior do esterno e se insere nas cartilagens da 3." e 7." costelas. Durante a expiração, esse músculo puxa as costelas caudalmente, desinsuflando o gradil costal. O músculo transverso do tórax em repouso é inativo, sendo ativado durante expirações forçadas, fonação e tosse. Volumes e Capacidades Pulmonares Denomina-se volume corrente a quantidade de gás mobilizada a cada ciclo respiratório. O volume de gás ventilado por minuto é o volume minuto ou ventilação global por minuto. Corresponde ao produto do volume corrente pela frequência respiratória. Além dos conceitos já conhecidos, tem-se: Hiperpneia: aumento do volume corrente; Hipopneia: diminuição do volume corrente; Hiper/hipoventilação. Volumes e Capacidades Pulmonares VOLUME CORRENTE: É a quantidade de ar inspirada ou expirada espontaneamente em cada ciclo respiratório. No repouso o volume corrente humano oscila entre 350 e 500 mI. VOLUME DE RESERVA INSPIRATÓRIO. É o volume máximo que pode ser inspirado voluntariamente a partir do final de uma inspiração espontânea. VOLUME DE RESERVA EXPIRATÓRIO. É o volume máximo que pode ser expirado voluntariamente a partir do final de uma expiração espontânea. VOLUME RESIDUAL. É o volume de gás que permanece no interior dos pulmões após a expiração máxima. Assim, este volume não pode ser medido pelo espirógrafo simples descrito anteriormente. CAPACIDADE VITAL. É a quantidade de gás mobilizada entre uma inspiração e uma expiração máximas. A capacidade vital é a soma de três volumes primários: corrente, de reserva inspiratório e de reserva expiratório. CAPACIDADE INSPIRATÓRIA. É o volume máximo inspirado a partir do final de uma expiração espontânea. Corresponde à soma dos volumes corrente e de reserva inspiratório. Natália Parduci CAPACIDADE RESIDUAL FUNCIONAL. É a quantidade de gás contida nos pulmões no final de uma expiração espontânea. Corresponde à soma dos volumes de reserva expira tório e residual. CAPACIDADE PULMONARTOTAL. É a quantidade de gás contida nos pulmões ao final de uma inspiração máxima e equivale à adição dos quatro volumes primários. Manobras Expiratórias Forçadas Solicita-se ao indivíduo que, após inspirar até a capacidade pulmonar total (CPT), expire tão rápida e intensamente quanto possível em um espirometro, sendo o volume expirado lido em um traçado volume-tempo. Com base nesse traçado é possível computar a capacidade vital forçada (CVF) e o volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF1,0). A partir desses dois parâmetros podemos computar a razão VEF1,0/CVF, cujo limite inferior normal é de aproximadamente 80%. A Fig. 40.7 B representa um padrão obstrutivo, onde o ar é exalado com maior lentidão, acarretando um VEF1,0 e a razão VEF 1,0 /CVF reduzidos. Esta, quando inferior a 80%, indica fortemente um padrão obstrutivo. Nota-se que a obstrução das vias aéreas acarreta um achatamento na curva volume-tempo. Na Fig. 40.7 C observa-se um padrão restritivo. Nessa situação a CVF e o VEF1,0 encontram-se reduzidos em valores absolutos, quando comparados com os padrões de normalidade, mas a razão VEF 1,0 /CVF supera os 80%. A configuração do traçado não difere muito do normal. Outro parâmetro passível de ser computado com a manobra de expiração forçada é o fluxo expiratório forçado entre 25 e 75% da CVF (FEF 25.75%). Esse parâmetro é utilizado quando restam dúvidas diagnósticas após o cálculo da razão VEF 1,0 /CVF. Se registrarmos o fluxo aéreo e o volume durante uma manobra de expiração forçada, é possível construirmos as curvas fluxovolume. Para tal solicita-se ao indivíduo que ele inspire até a capacidade pulmonar total e então expire tão rapidamente quanto possível até o volume residual. Para completar a alça o indivíduo deverá inspirar tão rapidamente quanto possível do volume residual até a capacidade pulmonar total. Mecânica Respiratória, Espaço Morto e Ventilação Alveolar O sistema respiratório é formado por dois componentes: o pulmão e a parede torácica. Como parede torácica subentendem- se todas as estruturas que se movem durante o ciclo respiratório, à exceção do pulmão. Como já foi visto, a parede abdominal se move para fora durante a inspiração, retornando ao seu ponto de repouso ao longo da expiração. Portanto, o abdômen faz parte. Os tecidos dos pulmões e do tórax são constituídos por fibras elásticas, cartilagens, células, glândulas, nervos, vasos sanguíneos e linfáticos que apresentam propriedades elásticas e obedecem à lei de Hooke, de modo que quanto mais intensa a pressão gerada pelos músculos inspiratórios, maior o volume inspirado. Como as molas, os tecidos devem ser distendidos por meio de uma força externa (esforço muscular) durante a inspiração. Quando essa força cessa, os tecidos retraem-se para sua posição original. Quanto maior a pressão aplicada, maior a variação de volume durante a inspiração da parede torácica. Nota-se que a complacência do sistema respiratório é constante na faixa de volumes pulmonares compreendidos entre 25 e 75% da capacidade vital. Abaixo e acima dessa faixa, a complacência tende a cair progressivamente, indicando que o sistema respiratório deixa de se comportar como um corpo quase perfeitamente elástico. Finalmente, cabe aqui ressaltar que, em vez de complacência, é frequentemente utilizado o termo elastância. Esta corresponde ao inverso da complacência (Ers = lICrs), ou seja, é a relação entre a variação de pressão e o volume mobilizado resultante. Propriedades Elásticas do Pulmão A força de retração elástica dos pulmões (Pel,L) tende a trazê-los para seu volume mínimo, ou seja, os pulmões tendem sempre a se retrair e colabar. Caso os pulmões fossem retirados do tórax, observar-se-ia que restaria em seu interior um volume de ar mínimo. Existem dois fatores responsáveis pelo comportamento elástico do pulmão. Um deles é representado pelos componentes elásticos do tecido pulmonar (fibras elásticas e colágenas, por exemplo). Acredita- se que o comportamento elástico do pulmão não depende do simples alongamento das fibras elásticas, mas principalmente de seu arranjo geométrico. Todas as estruturas do pulmão (vasos, bronquíolos, alvéolos, etc.) encontram-se interligadas pela trama de tecido conjuntivo Natália Parduci pulmonar, de sorte que, quando há insuflação, todos esses componentes se distendem. Esse fenômeno é denominado "interdependência", que contribui para manter todos os alvéolos abertos, posto que caso alguns se fechassem, seus vizinhos puxariam suas paredes e tenderiam a reabri-los. Além das propriedades elásticas dos tecidos pulmonares, os pulmões ainda apresentam um importante fator que contribui para suas características elásticas: a tensão superficial do líquido que recobre a zona de trocas, denominado surfactante. O surfactante pulmonar é secretado por células epiteliais alveolares especializadas chamadas de pneumócitos granulares ou tipo II. Tais células se localizam nos alvéolos, armazenam surfactante em corpos lamelares osmofílicos e secretam seu conteúdo na luz alveolar através de um processo de exocitose, estimulada por mecanismos f3- adrenérgicos. Os fosfolipídeos são os principais componentes do surfactante, sendo os principais constituintes a dipalmitoilfosfatidi1colina (40%), a fosfatidilcolinamonoenóica (25%) e o fosfatidilglicerol (10%). A perda de surfactante leva à redução da complacência pulmonar, áreas de atelectasia e alvéolos cheios de transudato. Este é o quadro patológico da Síndrome do Desconforto Respiratório do Recém-nato, que é particularmente passível de surgir em crianças prematuras, cujo sistema de produção do surfactante não se encontra ainda bem desenvolvido ou funcionante. A hipóxia, ou hipoxemia, pode acarretar redução da produção de surfactante ou aumento de sua destruição, contribuindo para o desenvolvimento da Síndrome do Desconforto Respiratório Agudo. Enquanto o pulmão apresentar um comportamento semelhante ao de uma mola, sua complacência é constante. Todavia, em volumes pulmonares muito elevados (acima de 75% da capacidade vital) algumas regiões do pulmão já atingiram seu ponto máximo de distensão elástica perfeita e, consequentemente, será necessária maior variação de pressão para fazer variar o volume, isto é, o pulmão torna-se menos complacente, como pode ser visto na porção mais horizontalizada da curva. A complacência pulmonar aumenta com a idade e no enfisema. Em ambas as condições, a alteração do tecido elástico pulmonar é a responsável pela elevação da complacência. Para gerar um mesmo volume, o paciente com fibrose necessita de maior pressão do que o indivíduo normal e o paciente enfisematoso. Consequentemente, o doente com fibrose apresenta uma complacência menor do que o enfisematoso e o normal. O aumento da pressão venosa pulmonar, o pneumotórax, o edema alveolar e a atelectasia também levam à redução da complacência. Propriedades Elásticas da Parede Torácica Assim como o pulmão, a parede torácica também exibe propriedades elásticas próprias. A parede torácica inclui, além do tórax, o diafragma, a parede abdominal e o mediastino. Do ponto de vista elástico observa-se que a parede torácica tende sempre à expansão, exceto em volumes pulmonares superiores a cerca de 75% da capacidade vital, quando tende a retração, como o pulmão. Em contraponto a complacência pulmonar, que se torna menor em altos volumes pulmonares, em volumes baixos é a complacência da parede torácica que diminui. Propriedades do Espaço Pleural Observa-se que ao nível da capacidade residual funcional o pulmão tende a se retrair, ao passo que a parede torácica tende a se expandir. As duas pleuras não se separam porque a cavidade pleural é fechada e existe em seu interior uma película líquida que as une, da mesma forma que uma gota de água entre duas lâminas de vidro permite que deslizem uma sobre a outra, porém impede que se separemfacilmente. A medida da pressão intrapleural no ponto de equilíbrio elástico do sistema respiratório mostra um valor em torno de 4 cmH20 abaixo da pressão atmosférica. Essa pressão "negativa" (de acordo com a convenção de referir todas as pressões à pressão atmosférica local) representa a tendência para a expansão do espaço pleural criada pelas forças opostas de retração pulmonar e expansão da parede. Assim, caso uma das superfícies pleurais (ou as duas) se rompa, pondo em comunicação o espaço pleural com o meio ambiente (tanto via superfície corporal quanto através da árvore traqueobrônquica), o ar será aspirado para dentro daquele pela pressão subatmosférica e os pulmões separar- se-ão da parede torácica, ambos seguindo suas tendências elásticas. A essa condição denomina-se pneumotórax. Durante a inspiração, a contração muscular expande o gradil costal e a pleura parietal traciona a visceral. Consequentemente, a pressão intrapleural torna-se mais negativa. Naturalmente, ao longo da expiração ela retorna a seu valor de repouso. Embora a pressão intrapleural normalmente seja negativa, há condições em que ela pode assumir valores positivos: na hiperventilação do exercício físico, quando a expiração passa a ser ativa, e durante atos expulsivos, como a tosse, a defecação, o espirro. Nesses casos a força muscular é direcionada para diminuir o volume pulmonar, e, por conseguinte, a pleura parietal é empurrada de encontro à visceral. Por fim, a pressão intrapleural pode ser positiva durante a insuflação artificial dos pulmões, porquanto neste caso o ar é impulsionado sob pressão para o interior do sistema respiratório, empurrando o folheto pleural visceral de encontro ao parietal. Propriedades Resistivas do Sistema Respiratório Durante a movimentação do sistema respiratório, quando ocorre fluxo de gás, um elemento adicional ao elástico precisa ser vencido pela pressão motriz: a resistência ou pressão resistiva. Resistência das vias aéreas A resistência das vias aéreas depende do fluxo de ar no interior dos pulmões. Destarte, esta pode ser definida como a razão entre o gradiente de pressão necessário para levar o ar do ambiente até os alvéolos e o fluxo aéreo. Se o ar flui através de um tubo, existe diferença de pressão entre as suas duas extremidades. A diferença de pressão depende do valor do fluxo e de suas características aerodinâmicas. Esse fluxo é denominado fluxo laminar. À medida que o ar entra no tubo, as moléculas próximas à parede aderem à mesma e, consequentemente, não se movem. Em virtude da viscosidade, a velocidade das camadas subsequentes torna- Natália Parduci se lenta e cada vez menor à medida que se aproxima da parede. A velocidade máxima é alcançada no centro do tubo. Na região central, a velocidade é aproximadamente uniforme, as forças viscosas são desprezíveis, e a pequena força inerciaI é equilibrada pelo gradiente de pressão. Lei de Poiseuille para fluxo laminar: onde V' é o fluxo aéreo, L é o comprimento do tubo, r é seu raio e n a viscosidade do fluido. Como a resistência ao fluxo(R) é a pressão dividida pelo fluxo, temos: Quando o fluxo aumenta, as linhas de fluxo não mais fluem concentricamente, mas se desintegram e comportam-se de maneira desorganizada. Esse comportamento aleatório das linhas de fluxo caracteriza afluxo turbilhonar. A pressão necessária para manter esse fluxo apresenta-se consideravelmente maior do que quando o fluxo é laminar. VOLUME PULMONAR. A resistência das vias aéreas cai com o aumento do volume pulmonar devido a dois fatores, ambos relacionados com a distensibilidade das vias aéreas periféricas. O gradiente de pressão transmural através de suas paredes representa um dos fatores que determinam o raio das vias aéreas. Em outras palavras, como a resistência é inversamente proporcional à quarta potência do raio, pequenas alterações deste acarretam grandes modificações na resistência. O segundo fator está relacionado com a tração das pequenas vias aéreas, que ocorre em presença de grandes volumes pulmonares (interdependência). COMPLACÊNCIA DAS VIAS AÉREAS. As propriedades de retração elástica do pulmão afetam o calibre dos bronquíolos e brônquios através de dois mecanismos: o primeiro, por promover tração direta das pequenas vias aéreas intrapulmonares, e o segundo, por ser um dos dois determinantes da pressão intrapleural, que origina a pressão ao redor dos brônquios extrapulmonares, distendendo-os. A estrutura de suporte de cada segmento da via aérea também influencia a complacência. MUSCULATURA LISA DOS BRÔNQUIOS. A contração da musculatura lisa dos brônquios estreita as vias aéreas e aumenta a resistência. Isto pode ocorrer via reflexa, através do estímulo de receptores, na traqueia e grandes brônquios, por agentes irritantes como o fumo. O tônus do músculo liso está sob controle do sistema nervoso autônomo. A estimulação simpática, assim como os agentes farmacológicos simpaticomiméticos (isoproterenol, adrenalina, noradrenalina), causam broncodilatação, reduzindo a resistência. Contrariamente, a atividade parassimpática, à semelhança da aceti1colina, causa broncoconstrição. O sistema nervoso não-adrenérgico não- colinérgico (NANC) inibitório é responsável pelo relaxamento dos músculos lisos das vias aéreas, e o sistema NANC excitatório acarreta broncoconstrição. A resistência das vias aéreas pode também ser elevada por outros fatores que diminuam a luz da árvore traqueobrônquica, tais como edema das mucosas e secreções abundantes. LIMITAÇÃO DO FLUXO RESPIRATÓRIO. A limitação do fluxo expiratório, isto é, o surgimento do platô, só ocorre quando em presença de volumes pulmonares menores do que 80% da capacidade vital. RESISTÊNCIA TECIDUAL. A resistência tecidual depende da velocidade do deslocamento e ocorre tanto durante a inspiração como na expiração. Quanto maior for a intensidade da força motriz dissipada para vencer a resistência ao atrito dos tecidos durante a expiração, menor a força elástica disponível para vencer a resistência das vias aéreas. Quando a força disponível para o fluxo aéreo diminui, a expiração torna-se mais lenta. Espaço Morto e Ventilação Alveolar A função mais conhecida e importante da ventilação pulmonar é a de fornecer oxigênio ao sangue venoso e dele remover o excesso de gás carbônico (C02), arterializando-o. Nos tecidos periféricos ocorrem processos inversos: o sangue capilar recebe CO2 proveniente dos tecidos e a eles cede parte do O2 que transporta. As trocas gasosas entre alvéolos e sangue ou entre sangue e tecidos resultam de gradientes de pressões parciais. A P02 alveolar (PA02) média de todos os alvéolos, bem como entre a inspiração e a expiração, corresponde a 1 00 mmHg e depende do aporte deste gás pela ventilação e sua remoção pela perfusão dos alvéolos. A queda de cerca de 5 mmHg entre a PA02 média e a pressão parcial de oxigênio arterial (Pa02) deve-se a três fatores: (1) contaminação do sangue do ventrículo esquerdo pelo sangue venoso das veias mínimas do coração; (2) shunt entre as circulações brônquicas (pressão sistêmica) e pulmonar (baixa pressão); e (3) efeito shunt, quando sangue venoso atravessa capilares pulmonares de alvéolos não ventilados. Deve ser aqui lembrado que as trocas gasosas somente ocorrem a nível capilar, onde a barreira entre o sangue e as células dos tecidos é muito delgada. A queda da Pa02 para a pressão venosa mista reflete a quantidade de oxigênio cedida pelo sangue arterial para os tecidos. A pressão parcial de CO2 no meio ambiente e na traqueia é muito baixa (0,3 mmHg). Já no nível alveolar médio, a PAC02 se equipara à pressão parcial arterial de CO2 (PaC02), que deixa a região alveolar. A diferença entre a PaC02 e a pressão parcial do CO2 no sangue venoso misto representa o adicional de pressão parcial determinado pelo CO2 transportado dos tecidos periféricos para o sangue capilar. Espaço Morto AnatômicoO volume de gás contido nas vias aéreas de condução (do nariz aos bronquíolos terminais) corresponde ao espaço morto anatómico, porquanto, como já foi visto, não há Natália Parduci trocas gasosas nesse segmento das vias aéreas. Em cada inspiração, cerca de 2/3 do volume corrente alcançam os alvéolos e o 1 /3 final fica retido no espaço morto, ou seja, a composição do gás aí contido é muito semelhante à do ar ambiente. Normalmente, o volume do espaço morto aproxima-se de 150 mI, podendo chegar a cerca de 220 mI ao final da inspiração profunda e a 1 1 0 mi ao término da expiração forçada. Espaço Morto Fisiológico O espaço morto fisiológico é, na realidade, a soma do espaço morto anatômico com outros volumes gasosos pulmonares que não participam da troca de gases. Por exemplo: uma certa região do pulmão é ventilada, mas não perfundida: o gás que chegou a esses alvéolos não pode participar das trocas e é, funcionalmente, "morto". Conclui-se, então, que o espaço morto fisiológico é sempre maior do que o anatômico. O espaço morto fisiológico pode ser medido por meio da equação de Bohr. Ventilação Alveolar O volume gasoso alveolar pode ser considerado como um compartimento situado entre o ar ambiente e o sangue capilar pulmonar. O O2 está sendo continuamente removido e o CO2 continuamente acrescentado ao gás alveolar pelo sangue da circulação pulmonar. Assim, o aporte de oxigênio e a remoção de gás carbônico são assegurados pela ventilação alveolar. Denomina-se ventilação alveolar à porção da ventilação global que, a cada minuto, alcança a zona respiratória. Efeitos do volume corrente e da frequência respiratória sobre a ventilação alveolar. Nos três casos (A, B e C) a ventilação global ou volume-minuto (volume corrente X frequência respiratória) corresponde a 8 litros/ minuto. Considera-se fixo e igual a 150 mI o volume do espaço morto (V EM)' Em A o volume corrente (VC) corresponde a 250 mI e a frequência (f) é de 32 ciclos/minuto (cpm). Assim, a ventilação do espaço morto (VEM) corresponde ao produto VEM X f = 4.800 ml/min, ao passo que a ventilação alveolar (VA) é de (VC - VEM) x < f = 3.200 ml/min. Em B , VC = 500 mI, f = 16 cpm; VEM = 2.400 ml/min e VA = 5.600 ml/min. Em C, VC = 1.000 mi, f = 8 cpm, VEM = 1.200 ml/min e VA = 6.800 ml/min. Considerando-se que em B está representada a condição normal, se o padrão respiratório fosse o de A haveria uma hipoventilação alveolar, ao passo que C corresponderia a uma hiperventilação alveolar. Este exemplo tem aplicação direta no uso de respiradores artificiais. OBS: Algumas partes do capítulo 42 o professor não tinha passado em aula e estavam extremamente chatas e desgastantes. Pulei! TRANSPORTE DE GASES NO ORGANISMO- Cap. 43 Natália Parduci As trocas de gases no organismo ocorrem por meio do fluxo de gases, do fluxo de soluções de gases e da difusão de gases através dos tecidos. A pressão que u m gás exerce em u m recipiente resulta do choque de suas moléculas de encontro às paredes do recipiente. Assim, quanto mais moléculas de gás, maior o número de choques na unidade de tempo e maior a pressão. A quantidade de gás dissolvido em u m líquido, a uma dada temperatura, é igual ao produto da pressão parcial desse gás no líquido por um coeficiente de solubilidade, peculiar a cada combinação gás-líquido (lei de Henry). A difusão através dos tecidos é um processo passivo regido pela lei de Fick. Esta afirma que a velocidade de transferência de um gás através de um tecido é proporcional à área de tecido e ao gradiente de pressão parcial do gás entre os dois lados e é inversamente proporcional à espessura do tecido. Como já foi visto anteriormente, a área de troca pulmonar equivale a 75- 1 00 m2 e a espessura do tecido que separa o ar alveolar do sangue capilar corresponde a 0,5 micrômetro. Por conseguinte, estas dimensões são extremamente favoráveis à difusão de gases. Além desses fatores, a velocidade de transferência é diretamente proporcional a uma constante de difusão que depende das propriedades dos tecidos e do gás. A constante de difusão é proporcional à solubilidade de determinado gás em um dado meio e inversamente proporcional à raiz quadrada do peso molecular do gás. Tomando como exemplos o O2 e o CO2, observa-se que o CO2 se difunde cerca de 20 vezes mais rapidamente do que o O2 pelos tecidos, porque, embora seu peso molecular seja um pouco maior, o CO2 tem uma enorme solubilidade nos tecidos orgânicos. Os gases, para se transferirem do alvéolo para o sangue, e vice-versa, precisam atravessar a denominada barreira alvéolo-capilar. Esta é então formada pelos seguintes componentes: líquido que banha os alvéolos, epitélio alveolar, membrana basal do epitélio, estroma alveolar, membrana basal do endotélio e endotélio capilar. Visto que o oxigênio ainda precisa chegar à molécula de hemoglobina no interior da hemácia, poderiam ser acrescentados à barreira alvéolo-capilar o plasma, a membrana celular da hemácia e seu estroma. Logo, modificações na forma da hemácia podem acarretar aumento ou redução na difusão do gás. Durante o exercício físico o débito cardíaco se eleva. O tempo de passagem de uma hemácia pelo capilar pulmonar pode ser reduzido até cerca de 0,25s (anteriormente, próximo a 0,75s). Por conseguinte, o tempo disponível para a realização das trocas gasosas cai, mas em indivíduos normais, respirando ar ambiente, não é detectada queda da P02 arterial. Por outro lado, caso a barreira alvéolo-capilar esteja alterada, de modo a interferir com a transferência de O2 lentificando sua difusão, o indivíduo pode não apresentar distúrbio durante o repouso, porém este pode ser detectado quando do esforço físico. Naturalmente, com a progressão da doença, o paciente poderá apresentar queda da P02 arterial mesmo sem realizar qualquer movimento. Fatores que Afetam a Difusão dos Gases A difusão dos gases pode ser modificada quando há alterações na área de superfície alveolar, nas propriedades físicas da membrana ou na oferta dos gases. Nesse contexto, a capacidade de difusão aumenta com a elevação do volume pulmonar, sendo máxima na capacidade pulmonar total. Entretanto, somente os alvéolos que são adequadamente ventilados e perfundidos contribuirão para a troca gasosa. A área total da superfície alveolar pode apresentar-se reduzida em situações como enfisema pulmonar, onde há redução significativa no número de alvéolos por destruição do septo alveolar. Consequentemente, menor será a capacidade de difusão. Qualquer situação patológica onde haja espessamento da barreira alvéolo-capilar reduz a difusão de gases. Pacientes idosos, mulheres e indivíduos tabagistas também apresentam menor capacidade de difusão. Inicialmente a pressão venosa mista de oxigênio é igual a 40 mmHg e, após 0,25 s, a pressão alveolar se iguala à pressão capilar de oxigênio, sendo igual a 100 mmHg. Inicialmente, a pressão venosa mista de oxigênio é igual a 45 mmHg. Em 0,75s, a pressão alveolar é igual à pressão capilar de gás carbônico, sendo igual a 40 mmHg. Transporte de Gases no Sangue Oxigênio O oxigênio é transportado no sangue sob duas formas: dissolvido no plasma e no fluido intracelular eritrocitário e combinado quimicamente de forma reversível com a hemoglobina. Oxigênio Dissolvido. Quando o oxigênio se difunde dos alvéolos para o sangue, quase todo ele vai penetrar nas hemácias, onde se combina à hemoglobina. Somente uma pequena porção permanece no plasma e no fluido intracelular eritrocitário e é transportada para os tecidos em solução simples. Este é o denominado oxigênio dissolvido, também dito oxigênio em solução física. Esta forma de transporte obedece à lei de Henry, antes descrita. Desse modo, a quantidade de oxigênio dissolvido é diretamente proporcional à sua pressão parcial no sangue. Oxigênio Combinado com a Hemoglobina. A quantidade de O2 dissolvida não é, entretanto,suficiente para manter funcionante o organismo de um indivíduo normal. No repouso, mais de 95% do oxigênio fornecido aos tecidos são transportados em associação com a hemoglobina, sendo que este valor ultrapassa 99% durante o exercício físico. Além das quatro cadeias polipeptídicas, a hemoglobina apresenta um grupamento heme ligado a cada uma das quatro cadeias. Esse grupamento heme é um complexo formado por uma protoporfirina e um íon ferro no estado ferroso. A esse íon ferroso se associa o O2 quando de seu transporte, formando a oxiemogIobina (Hb02). Também nesse ponto se liga o monóxido de carbono, formando a carboxiemoglobina (HbCO). A afinidade da hemoglobina pelo CO é cerca de 200 a 300 vezes maior do que pelo O2, resultando daí que a intoxicação pelo CO (fumaça de cigarro, gases eliminados pelos motores a explosão, gás para uso domiciliar e outras fontes menos importantes) é extremamente grave, pois o CO ocupa o heme, impedindo a ligação do O2. Também o estado do íon ferro tem grande importância para o transporte de oxigênio. Caso o ferro se encontre oxidado, isto é, no estado férrico, forma-se a metemoglobina, que se combina a numerosos ânions, mas Natália Parduci não com o O2. A metemoglobinemia é produzida na intoxicação pelo nitrito e nas reações tóxicas a medicamentos oxidantes. Cada molécula de hemoglobina, portanto, é capaz de transportar no máximo quatro moléculas de O2. Fatores que Modificam o Equilíbrio do Oxigênio com a Hemoglobina. Há quatro fatores bem conhecidos que alteram a interação do O2 com a hemoglobina: a PC02, o pH, a temperatura e o nível de 2,3-difosfoglicerato. Na figura a baixo pode ser observado que o aumento da PC02 desloca para a direita a curva de dissociação da hemoglobina, reduzindo a afinidade da hemoglobina pelo O2. Da mesma forma, a elevação da concentração dos íons hidrogênio, ou seja, a queda do pH sanguíneo, também desloca para a direita a curva. Essa alteração na posição da curva decorre da modificação na forma da molécula de Hb, o que dificulta a ligação do oxigênio ao complexo heme. A esses dois fenômenos denomina- se efeito Bohr. À medida que o pH cai e a curva se desvia para a direita, a saturação da Hb para uma dada PO2 decai. Contrariamente, o aumento do pH desvia a curva para a esquerda, e a saturação de Hb para uma dada PO2 aumenta, indicando uma maior afinidade da Hb pelo oxigênio. Variações na temperatura também afetam a curva de dissociação de Hb. Enquanto a queda da temperatura redunda em desvio da curva para a esquerda, a temperatura elevada desvia a curva para a direita. O 2,3-difosfoglicerato (2,3-DPG) é u m produto intermediário formado durante a glicólise anaeróbia, via energética da hemácia. Hipoxemia e anemia aumentam a concentração intracelular de 2,3-DPG. Quando a concentração de 2,3-DPG aumenta no interior da hemácia, a curva de equilíbrio entre o O2 e a hemoglobina é deslocada para a direita. A afinidade natural da hemoglobina pura pelo O2 é tão elevada que este gás teria uma passagem mais dificultada para os tecidos sem os fatores que reforçam a liberação do O2, CO2, H+, temperatura e ânions polifosfatos, como o 2,3-DPG. Eles favorecem a liberação de oxigênio estabilizando a configuração desoxi da molécula da hemoglobina e, assim, reduzindo sua afinidade pelo O2. O C02 forma grupamentos carbamina, o H+ reforça as pontes de sal dentro da molécula da hemoglobina e o 2,3-DPG reúne as subunidades das cadeias beta da desoxiemoglobina, modificando a forma da molécula de Hb, o que dificulta a ligação do oxigênio ao complexo heme. Cianose. Entende-se por cianose a coloração azulada da pele e mucosas, gerada pelo aumento da quantidade de hemoglobina reduzida (desoxigenada), que tem uma cor muito escura, nos capilares periféricos. A cianose depende apenas da quantidade absoluta de hemoglobina reduzida e não da percentagem desta em relação à hemoglobina total do sangue. Assim sendo, quando a taxa de hemoglobina reduzida ultrapassa 5 g%, há cianose. Dióxido de Carbono Uma vez que o organismo humano produz em média 200 ml de CO2 por minuto, este gás precisa ser eliminado das células produtoras para o exterior do organismo. A captação de CO2produzido pelas células e seu transporte até o pulmão, onde é liberado para o gás alveolar e daí para o meio ambiente, é feito pelo sangue. Naturalmente, a PC02 é maior nas células ativas do que no sangue a fluir pelos capilares. Por conseguinte, ele difunde-se dessas células para o plasma. O dióxido de carbono é transportado no sangue como: (1) CO2 dissolvido, (2) íons bicarbonato (HC03-), (3) carbaminohemoglobina e outros compostos carbamínicos e (4) quantidades diminutas de ácido carbônico (H2C03) e íons carbonato (CO3 2-). Quando se analisa o sangue para determinar seu teor total de CO2, estão incluídas todas essas formas moleculares. Observa-se que uma pequena parte do CO2 proveniente das células dissolve-se no plasma. O coeficiente de solubilidade para o CO2 no sangue a 37°C corresponde a 0,063vol% por mmHg de PC02. Ainda no plasma, uma pequena quantidade de CO2 reage lentamente com a água para formar ácido carbônico. Este ácido dissocia-se prontamente nos íons HC03 - e H+, que fica neutralizado pelos sistemas tampões do plasma. No plasma, o CO2 reage também com as terminações amina livres (-NH2) das proteínas plasmáticas, formando os compostos carbamínicos. A maior parte do CO2 que se difunde a partir das células para o sangue penetra nas hemácias, onde ocorrem três fenômenos: • Parte permanece dissolvida no interior da hemácia. Natália Parduci • Parte combina-se com a hemoglobina para formar a carbamino-hemoglobina (HbC02). O íon H+ resultante é tamponado pela própria hemoglobina. • A maior parte do CO2 combina-se com a água, formando ácido carbônico, que se dissocia em H+ e HC03-. Ao contrário da reação química similar que se dá no plasma, no interior da hemácia existe uma enzima catalisadora, a anidrase carbônica, que acelera a conversão de CO2 e H20 em H2C03 (e vice-versa). Recentemente, o mecanismo de ação da anidrase carbônica foi elucidado. A anidrase carbônica existe sob a forma de sete isoenzimas, sendo somente duas envolvidas no transporte de CO2: a anidrase carbônica II, que se localiza na hemácia, e a IV, que está presente nos capilares pulmonares. Não há atividade da anidrase carbônica no plasma. A anidrase carbônica é uma enzima de baixo peso molecular que contém zinco. Inicialmente, há hidrólise da água e formação de espécies reativas de Zn-OH- , enquanto o resíduo de histidina próximo à reação atua removendo o íon H +, transferindo-o para as moléculas tampões adjacentes. O CO2, então, se combina com as espécies reativas de Zn-OH-, sendo que o bicarbonato formado rapidamente se dissocia do átomo do zinco. Os fenômenos precedentes produzem um acúmulo de HC03- no interior da hemácia. Parte do Íon bicarbonato se difunde para o plasma, mantendo o equilíbrio das concentrações na hemácia e no plasma. Caso houvesse concomitante difusão de cátions para o plasma, manter-se-ia a neutralidade elétrica no interior da hemácia. Todavia, a membrana eritrocitária não é livremente permeável aos cátions. Assim, a neutralidade de cargas é conseguida à custa da passagem de ânions cloreto do plasma para o interior da hemácia. A esse fenômeno denomina-se desvio de cloretos (ou efeito Hamburger). Simultaneamente, moléculas de água dirigem- se para dentro da hemácia, a fim de restabelecer o equilíbrio osmótico, resultando daí que as hemácias do sangue venoso apresentam um volume maior do que as do sangue arterial. O Efeito do Teor de Oxigênio do Sangue sobre o Transporte de Dióxido de Carbono. Como visto anteriormente, quanto maior a PC02, menor a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio (efeito Bohr). Reciprocamente, a dessaturação do sangue arterial no nível dos capilares sistêmicos facilita a captação de CO2. Este é o efeito Haldane.Cumpre lembrar aqui que não se trata de mecanismo competitivo, porquanto esses gases se ligam em sítios diferentes na molécula da hemoglobina. Conteúdos Totais de Oxigênio e Dióxido de Carbono do Sangue. Nota-se que mesmo o sangue arterial contém quantidades maiores de CO2 do que de O2, Assim, a afirmativa de que o sangue arterial é rico em O2 e pobre em CO2 não é correta. O sangue arterial é mais rico em O2 do que o venoso, da mesma forma que o sangue venoso carreia mais CO2 do que o arterial. Em outras palavras, o aumento da PO2 além dos valores fisiológicos pouco acrescenta ao conteúdo de O2 do sangue. Por esta razão, retornando à relação ventilação- perfusão, uma zona pulmonar hiperventilada não é capaz de compensar uma hipoventilada em termos de oxigenação do sangue. Já no caso do CO2, visto que sua curva de dissociação mantém uma curvatura constante, uma região do pulmão com alta relação ventilação-perfusão é capaz de eliminar o excesso de CO2 retido em uma zona de baixa relação ventilação- perfusão. Encerrando a descrição do transporte de gases no sangue, cumpre salientar que todos os processos descritos são reversíveis, uma vez que dependem tão-somente de gradientes de pressões parciais. Controle da Ventilação Cap. 44 Ao longo das várias atividades cotidianas, a ventilação pulmonar necessita sofrer ajustes constantes para manter adequada a oxigenação dos tecidos e deles retirar o CO2 produzido. De uma forma ampla, pode ser dito que o centro respiratório, localizado no tronco cerebral, gera o ritmo respiratório, que é modificado por uma série de reflexos originados em receptores diversos, tanto a nível periférico como central. Além disso, outros centros controladores podem atuar sobre o ritmo respiratório fundamental, alterando-o. De qualquer forma, o produto final é a contração ordenada dos músculos envolvidos com a ventilação, ou seja, os efetores. Receptores Quimiorreceptores. Os quimiorreceptores são aqueles receptores envolvidos com a percepção dos teores de O2 e CO2, e H+. São subdivididos quanto à localização anatômica em periféricos e centrais. Os quimiorreceptores periféricos, por sua vez, são subdivididos anatomicamente em carotídeos e aórticos, embora fisiologicamente desempenhem a mesma função. Os quimiorreceptores periféricos são formações altamente vascularizadas (têm o maior fluxo sanguíneo por grama de tecido em todo o organismo), localizadas justo no exterior de grandes artérias. Os carotídeos situam-se bilateralmente na bifurcação da artéria carótida comum em seus ramos interno e externo, ao passo que os aórticos estão localizados ao redor das porções iniciais da aorta. Os quimiorreceptores carotideos enviam informações ao centro respiratório por meio de potenciais de ação que trafegam bilateralmente ao longo dos nervos glossofaríngeos (IX par craniano), ao passo que os aórticos mandam suas mensagens aferentes através dos nervos vagos (X par craniano). Os quimiorreceptores periféricos são sensíveis às variações de PO2, PCO2 e pH no sangue arterial. São compostos por dois tipos celulares: a célula tipo I e tipo II. A célula tipo I apresenta grande quantidade de mitocôndrias e retículo sarcoplasmático, além de vesículas que apresentam grande variedade de neurotransmissores (dopamina, aceti1colina, norepinefrina e neuropeptídeos, dentre outros). Próximo a essas células há um grande número de capilares, garantindo um fluxo sanguíneo adequado aos quimiorreceptores. As células de sustentação (tipo II) envolvem tanto as células tipo I como os capilares. Logo, as células tipo I seriam os verdadeiros quimiorreceptores e informariam ao Sistema Nervoso Central as eventuais mudanças nas pressões parciais dos gases e do pH. Os quimiorreceptores centrais estão localizados bilateralmente na face ventral do bulbo e são banhados pelo líquido cefalorraquidiano. A localização específica dos quimiorreceptores centrais continua sendo Natália Parduci intensamente estudada. Acredita-se que existam duas zonas quimiossensíveis organizadas. Uma zona é localizada rostralmente (R) e a outra, caudalmente (C). Uma área intermediária (I) entre essas duas zonas também participa do controle químico central, mas sua exata função persiste controversa. Embora a região ventral do bulbo tenha sido inicialmente considerada a única área de quimiorrecepção central, estudos recentes indicam que neurônios em outros sítios cerebrais, como locus ceruleus, núcleo fastigial, núcleo do trato solitário, rafe medular e núcleo retrotrapezóide, também atuariam como quimiorreceptores funcionais. Esses dados indicam que a quimiorrecepção central possa estar organizada de forma hieráquica, tornando-se progressivamente mais complexa durante a evolução a fim de possibilitar um sistema de controle mais sofisticado. Dessa forma, uma nova visão da quimiorrecepção central emergiu como um sistema largamente distribuído. No entanto, ainda é desconhecida a exata relação entre essas diferentes áreas, e a complexidade do sistema sugere que muito ainda tem de ser aprendido. Representação esquemática da estrutura dos corpos carotídeos. Os corpos carotídeos são pequenos, altamente vascularizados e compostos por diferentes tipos de células. As células tipo 1 (glomus) são metabolicamente ativas e apresentam grande número de vesículas sinápticas contendo neurotransmissores. O aumento do PC02, a queda do pH ou o decaimento do P02 no sangue arterial acarreta liberação de neurotransmissores das células do glomus que atuarão nos terminais nervosos. A atividade gerada nesses terminais nervosos é transmitida ao centro controlador respiratório através do nervo do seio carotídeo. As células tipo II envolvem essa estrutura. Esses quimiorreceptores não respondem às alterações na concentração de O2. Respondem, entretanto, às alterações nos níveis liquóricos tanto de CO2 como de pH. Tanto o pH intra, como o extracelular podem estimular os quimiorreceptores centrais através de diferentes proteínas. A presença de neurônios quimiossensíveis na proximidade de grandes vasos sugere que esses quimiorreceptores possam responder também a variações de pH vascular cerebral ou a rápidas alterações de CO2. Os quimirreceptores periféricos são menos sensíveis ao C02 do que os centrais, embora a resposta dos primeiros seja mais rápida. O ponto em discussão é se a sensibilidade dos quimiorreceptores centrais ao pH decorre diretamente das concentrações de H+ ou indiretamente v i a reação d a água com o CO2, produzindo finalmente o H+ pela dissociação do H2C03. Esta parece ser a hipótese mais plausível, visto que tanto o H+ como o HCO3- não atravessam a barreira hematoliquórica, ao passo que o CO2 o faz prontamente. Da ação dos quimiorreceptores sabe-se que: (1) quando cai a PO2 arterial há aumento da ventilação em resposta à hipóxia. A hipóxia acarreta liberação de neurotransmissores capazes de modificar os padrões ventilatórios; (2) A hipóxia acarreta queda nos níveis de ATP intracelular com consequente despolarização e liberação de neurotransmissores capazes de modificar os padrões ventilatórios; (3) a elevação dos teores de CO2 do organismo estimula a ventilação, sendo verdadeira a recíproca; e (4) a queda do pH eleva a ventilação, ao passo que a elevação deste a inibe. Receptores de Estiramento Pulmonar (Receptores de Adaptação Lenta). Os receptores de adaptação lenta são terminais nervosos mielinizados localizados na musculatura lisa das vias aéreas, desde a traqueia até os bronquíolos. Esses receptores informam ao centro respiratório o grau de insuflação pulmonar. À medida que os pulmões se enchem, aumentam os disparos desses receptores, que chegam ao centro respiratório bilateralmente por meio dos nervos vagos. Este reflexo, também chamado de reflexo de insuflação de Breuer-Hering, ajudaria na determinação do término da inspiração. Receptores de Irritação (Receptores de Adaptação Rápida).Os receptores de adaptação rápida são terminais nervosos Natália Parduci mielinizados que diferem dos receptores de adaptação lenta por se adaptarem mais rapidamente ao estímulo. Os mecanorreceptores subepiteliais se localizam na traqueia, nos brônquios e nos bronquíolos. Os processos celulares dos receptores se estendem entre as células epiteliais até atingir a camada ciliar. Aparentemente destinam-se à detecção de pequenas deformações da superfície das vias aéreas. São estimulados por partículas inertes e corpos estranhos, bem como por gases e vapores irritantes, além da histamina. Quando estimulados, produzem tosse ou taquipneia e broncoconstrição reflexa. Os impulsos aferentes provenientes desses receptores ascenderiam ao centro respiratório por meio das menores fibras vagais do tipo A. RECEPTORES ARTICULARES. Acredita-se que impulsos aferentes oriundos da movimentação articular estimulem a ventilação durante o exercício, especialmente em seus estágios iniciais. Logo, durante um exercício, mesmo antes que o metabolismo anaeróbico acarrete a liberação de ácido lático e queda do pH, e esses desencadeiem uma resposta advinda dos quimiorreceptores, a movimentação articular estimula a ventilação. NOCICEPTORES. A dor provocada subitamente em qualquer local do organismo frequentemente acarreta apneia seguida de hiperventilação. O aumento da temperatura corporal resulta em hiperventilação, talvez envolvendo mecanismo homeostásico de manutenção da temperatura interna, ao passo que a exposição súbita ao frio redunda em apneia. Controladores Para que seja mantida a homeostase do organismo, o ato da respiração requer o movimento coordenado da musculatura esquelética. Para tal propósito, o sistema nervoso central (SNC) precisa integrar a atividade de neurônios individuais ou populações de neurônios e produzir os movimentos respiratórios apropriados. Assim: (a) o SNC precisa produzir um ritmo que gere periodicamente a expansão e a retração do sistema respiratório; (b) este ritmo precisa ser traduzido em um padrão de descarga precisamente coordenado para as várias populações de motoneurônios a inervar os músculos respiratórios; (c) o SNC precisa adaptar e ajustar este padrão de modo que seja mantida uma adequada ventilação alveolar e, consequentemente, a homeostase do transporte de gases pelo sangue e do estado ácido-base; e (d) o SNC precisa integrar os movimentos respiratórios com outras atividades corporais, tais como a fala, as mudanças posturais, a locomoção, a mastigação e a deglutição. Naturalmente, a adaptação, o ajuste e a integração dos movimentos respiratórios se baseiam em informações obtidas dos diversos receptores antes descritos e são realizados em vários níveis do SNC. A natureza periódica do cicIo respiratório é controlada por neurónios localizados no tronco cerebral a nível de ponte e bulbo. Esse conjunto de neurónios foi chamado de centro respiratório. Apesar dos avanços relacionados com o estudo da atividade elétrica do encéfalo, ainda não existe um consenso acerca de uma hipótese única para explicar o funcionamento do centro respiratório. GRUPOS RESPIRATÓRIOS BULBARES. Como ilustrado, há bilateralmente dois conjuntos de neurônios respiratórios, os denominados grupo respiratório dorsal (GRD) e grupo respiratório ventral (GRV). O GRD é composto por um grupo de células ativas durante a inspiração (neurônios inspiratórios). Esses neurónios inspiratórios podem ser divididos em dois subtipos: neurónios I-alfa e I-beta. Enquanto as células do tipo I-alfa são inibidas durante a insuflação pulmonar, as do tipo 1-beta são estimuladas por ela. Logo, as células 1-beta inibiriam a atividade da I-alfa sendo esse grupamento responsável pelo reflexo de Breuer-Hering. O GRD está localizado no núcleo do trato solitário (NTS). Há uma rede interna de sinapses interconectando quatro subnúcleos do trato solitário (ventral, ventrolateral, intersticial e intermediário) envolvidos com a respiração. Esses neurónios recebem conexões aferentes do IX e do X pares de nervos cranianos, que trazem ao centro respiratório informações oriundas dos pulmões, faringe, laringe e quimiorreceptores periféricos. Há também projeções da medula diretamente para o NTS. As conexões eferentes dos neurônios respiratórios no GRD também estão parcialmente esclarecidas. Axônios de células nos subnúcleos ventral e ventrolateral do NTS projetam-se principalmente contralateralmente para motoneurônios espinhais, em particular para os nervos frênicos. Neurónios do GRD se projetam para o GRV, de modo a modificar as eferências deste para os motoneurónios medulares relacionados com os músculos intercostais, abdominais e acessórios da respiração. Axônios do subnúcleo ventrolateral também se ramificam dentro de outros subnúcleos (intersticial e intermediário). Além disso, eferências do NTS se projetam para a região do núcleo parabraquial medial (NPBM) na ponte, para o núcleo motor dorsal do vago, para o núcleo do nervo hipoglosso, para o núcleo intercalado e para o núcleo grácil. A segunda região bulbar com grande concentração de neurônios envolvidos com a respiração é o GRV, que está associado com os núcleos retroambigual (NRA), ambíguo (NA) e para-ambigual (NPA). No GRV encontram-se neurónios envolvidos tanto com a inspiração quanto com a expiração. O NRA recebe aferentes bilaterais do NTS, sendo mais importantes as projeções ipsilaterais. O NPBM envia bilateralmente projeções para os NRA, NA e NPA. Além disso, o NRA e o NPA apresentam interconexões. As projeções eferentes dos neurónios do GRV dirigem-se para a ponte (NPBM), para o NTS e para a medula contralateral. Na realidade, os modelos mais modernos do controle da ventilação apontam o complexo GRD-GRV como um integrador de diversas aferências relacionadas com a geração do padrão ventilatório, sendo a ritmogênese respiratória propriamente dita efetuada em outro sítio. Dentre os candidatos podem ser citados os núcleos paragigantocelular, retrotrapezoide e retrofacial, localizados próximo à superfície ventral do bulbo, fazendo parte da estrutura denominada complexo de Botzinger. O complexo de Botzinger contém neurônios inspiratórios e expiratórios, aqueles enviando seus axônios para o NA, isto é, para o GRV, enquanto estes emitem seus axônios em direção do GRD (NTS). Uma região relativamente pequena próxima à terminação rostral da coluna ventrolateral que se estende do núcleo facial até a medula espinhal, chamada complexo Natália Parduci pré- Botzinger, tem sido considerada o cerne da ritmogênese respiratória. Em resumo, inúmeros dados continuam a apontar o complexo pré-Botzinger como um elemento essencial ao sistema gerador do ritmo respiratório. No entanto, ainda resta determinar se esse é o principal local da gênese do ritmo respiratório, um de múltiplos sítios ou apenas uma parte de um complexo maior. GRUPO RESPIRATÓRIO PONTINO. Assim como no bulbo, também foram identificados neurônios na ponte relacionados com a atividade respiratória, formando o grupo respiratório pontino. Os neurônios respiratórios pontinhos apresentam atividade tanto inspiratória quanto expiratória e acredita-se que têm como função a modulação do padrão básico gerado no bulbo, suavizando a transição entre as fases do ciclo respiratório. Todavia, a ponte não é essencial para a gênese da respiração. Aparentemente, os potenciais de ação gerados nessa região do tronco cerebral produzem um efeito excitatório sobre os neurônios inspiratórios bulbares. Acredita-se que a função dos núcleos da ponte superior seria a de promover um ajuste fino do ciclo respiratório por meio do estabelecimento de limiares para vários estímulos capazes de terminar a inspiração ou prolongar a expiração. Centros Superiores O controle voluntário ou comportamental da ventilação reside no córtex cerebral e outras regiões, embora os sítios ativos exatos não estejam totalmenteidentificados. Interessantemente, as vias que conduzem os impulsos do córtex para os motoneurônios que inervam os músculos respiratórios são distintas daqueles tratos relacionados com a respiração automática. A importância do controle voluntário ou comportamental da ventilação não deve ser subestimada, visto que, tradicionalmente, grande ênfase é dada ao automatismo respiratório. Por exemplo, um indivíduo sadio pode aumentar, ou até mesmo interromper, sua ventilação por um determinado período de tempo. Similarmente, o padrão ventilatório é alterado voluntariamente durante a fonação e o canto. Os estímulos nervosos oriundos de diversos sítios superiores do sistema nervoso central relacionados com a emoção (choro, riso, soluços), a postura, o sistema nervoso autônomo (tremor, regulação térmica, vômito), os sentidos especiais (olfato) ou até mesmo com a mastigação e a deglutição também podem sobrepujar totalmente o controle automático, que responde principalmente aos estímulos químicos e à insuflação pulmonar. Por exemplo, durante a fonação a sensibilidade ao CO2 cai substancialmente. Medula Há evidências de que os tratos descendentes que se originam no córtex e controlam a ventilação voluntária são independentes daqueles oriundos do tronco cerebral e envolvidos na respiração involuntária. Também foi demonstrado que as vias descendentes para reflexos não- rítmicos envolvendo músculos respirat6rios, tais como a tosse e o soluço, são diferentes daquelas relacionadas com a ventilação rítmica. Os impulsos nervosos descendentes são integrados com informações reflexas locais ao nível da medula, da qual emergem motoneurônios segmentares que inervam os músculos respiratórios. Há também diferenças entre os vários grupamentos musculares respirat6rios quanto aos mecanismos de ativação de agonistas e antagonistas. Assim, a atividade dos motoneurônios alfa inspiratórios é inibida durante a expiração, e vice-versa, a nível dos músculos intercostais. Diferentemente dos músculos extensores e flexores dos membros, essa ação não se passa através de um mecanismo reflexo medular, mas sim por meio de influências nervosas respirat6rias centrais descendentes. Controle Neural do Músculo Liso da Via Aérea O sistema nervoso autônomo tem um importante papel na regulação e/ou modulação do calibre das vias aéreas, seja em indivíduos normais ou com doença pulmonar. Além de regular o tônus muscular liso, os nervos autônomos podem influenciar: a secreção de muco pelas glândulas submucosas, o transporte de fluido através do epitélio alveolar, a permeabilidade e o fluxo sanguíneo da circulação brônquica e a liberação de mediadores a partir dos mast6citos e outras células inflamatórias. Regulação Respiratória do Equilíbrio Ácido-Base Cap. 45 Na acidose respiratória há uma elevação da PC02, que reduz a relação [HC03-]/(0,03 x PC02), fazendo assim cair o pH. Este distúrbio pode ser representado pelo movimento do ponto A (valores normais) para o ponto B na Fig. 45.2. Sempre que a PCO2 se eleva, há um aumento concomitante do bicarbonato, por causa da dissociação do ácido carbônico produzido. Este fato se reflete na inclinação ascendente da curva de tamponamento do sangue total. Apesar disso, como dito acima, a relação bicarbonato/C02 diminui. A retenção de CO2, ou hipercapnia, pode resultar de hipoventilação alveolar ou de desigualdades da relação ventilação-perfusão. Caso persista a acidose respiratória, o rim entra em ação, retendo bicarbonato. Como resultado, a relação bicarbonato/C02 tende a retornar a seu valor normal. Este evento corresponde ao movimento de B para D ao longo da isóbara de 60 mmHg de PC02 na Fig. 45.2. Note que, embora o pH tenda à normalidade, tanto o bicarbonato quanto a PC02 continuam alterados. Na alcalose respiratória há diminuição da PC02, o que eleva a relação bicarbonato/C02, resultando um aumento do pH. Esta situação é representada pelo movimento do ponto A para o ponto C na Fig. 45.2. A diminuição da PC02 pode ser causada por hiperventilação alveolar, como ocorre em grandes altitudes ou em alguns estados psíquicos relacionados com ansiedade. Caso persista o distúrbio, há a compensação renal por meio do aumento da eliminação de bicarbonato, e o pH tende a retornar à normalidade (trajeto C para F, na Fig. 45.2). Na acidose metabólica há aumento da produção de ácidos pelo organismo, fazendo cair a relação bicarbonato/CO2 e o pH. Essa alteração corresponde, na Fig. 45 .2, ao movimento do ponto A para o ponto G. Como exemplos, podem ser citados o acúmulo de cetoácidos do diabetes mellitus descompensado ou de ácido lático secundário à hipóxia teci dual. Neste distúrbio a compensação é feita por meio do pulmão, que, pela hiperventilação reflexa, passa a eliminar maior quantidade de CO2, fazendo retomar aos valores Natália Parduci normais a relação bicarbonato/C02. Na Fig. 45.2 o ponto se move de G tendendo para F, representando a acidose metabólica compensada. Note que dizer-se que a acidose metabólica é compensada por uma alcalose respiratória representa um erro. A elevação do HCO3 - com consequente aumento da relação bicarbonato/CO2 e do pH caracteriza a alcalose metabólica. Como exemplos, podem ser citadas a excessiva ingestão de álcalis e a perda de suco gástrico (por aspiração ou vômito). Na Fig. 45.2 esta situação é representada pelo movimento de A para E. A compensação respiratória é realizada pela redução da ventilação alveolar, que tende a elevar a PC02• ° ponto E move-se na direção do ponto D. Uma vez mais, já que é grande a confusão, não é correta a afirmação de que a alcalose metabólica é compensada por uma acidose respiratória. Naturalmente, com frequência ocorrem distúrbios mistos, ou seja, metabólicos e respiratórios concomitantemente. Por exemplo, uma pessoa portadora de enfisema pulmonar pode subitamente apresentar um quadro de diabetes mellitus descompensado. Verificação de qual é o distúrbio ácido-base primário: Para essa análise é fundamental saber os valores da normalidade do pH (7,35-7,45), PaCO2 (35-45 mmHg) e HCO3 - (22-26mEq/L). O PaCO2 reflete o componente respiratório e o HC03 -, o componente metabólico. Quando o pH se encontra abaixo de 7,35, diz-se que existe acidose; quando acima de 7,45, diz-se que há alcalose. Quando observamos uma PaCO2 abaixo de 35 mmHg, dizemos que o desvio respiratório se encontra no lado alcalótico; se acima de 45 mmHg, no lado acidótico. Adicionalmente, quando observamos que o RC03 - está abaixo de 22mEq/L, dizemos que o desvio metabólico se encontra no lado acidótico; se acima de 26 mEq/L, no lado alcalótico. Para se determinar o distúrbio primário, é necessário observar qual o componente (respiratório ou metabólico) se encontra do mesmo lado do desequilíbrio ácido-base do PH. Voltando ao exemplo anterior (PH = 7,25; PaCO2 = 25 mmHg; HCO3 - = 1 0,7 mEq/L), o pH abaixo de 7,35 revela acidose; a PaCO2 abaixo de 35 mmHg indica que há um desvio respiratório para o lado alcalótico; enquanto o HCO3 - abaixo de 22 mEq/L mostra que ocorre um desvio metabólico para o lado acidótico. Logo, o componente metabólico (o HCO3 -) está no mesmo lado do distúrbio do pH, indicando que o diagnóstico do distúrbio primário dessa gasometria é acidose metabólica. E se ambos os componentes (respiratório e metabólico) apresentarem desvios para o mesmo lado da alteração do pH? Nesse caso, teremos um distúrbio misto, isto é, originado por um processo metabólico e respiratório (ácido se ou alcalose). Natália Parduci
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