Biofísica da Respiração 1

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Biofísica da Respiração
- GÁS
Essencial para manutenção O dos processos metabólicos 2
RETIRADO
- Da atmosfera
- De líquido nos quais está dissolvido
INSPIRADO (1º HEMICICLO)
Entra em contato com o sangue –O2
ABSORVIDO – Respiração externa
Respiração (Hemiciclos):
- GÁS
Reações bioquímicas dos compartimentos do organismo
resulta na produção de CO2 
CO2 EXPELIDO - Pelo ar pulmonar
EXPIRAÇÃO (2º HEMICICLO)
Eliminação de CO2 pelo corpo – Respiração externa
Respiração (Hemiciclos):
Inspiração e Expiração:
 - Realizados pelos pulmões:
A FIM DE REALIZAR A TROCA ENTRE OS GASES INTERNOS
E EXTERNOS (Respiração Externa). 
Os gases trocados pelos pulmões são transportados pelo
sangue, e nas células, o O2 é usado para a produção da água
endógena – processo que neutraliza H+ protônico –
respiração celular
Princípios Físicos das Trocas Gasosas: 
Processo Respiratório:
Difusão O2
- Alvéolos Sangue Pulmonar 
CO2
- Sangue Pulmonar Alvéolos
Movimento aleatório de
moléculas em todas as direções,
através da membrana
respiratória e dos líquidos
adjacentes.
1. FÍSICA DA DIFUSÃO GASOSA E DAS PRESSÕES PARCIAIS
DOS GASES: 
1.1 BASE MOLECULAR
Gases Respiratórios:
 (O2,CO2, N) Moléculas simples, livres para se moverem 
entre si (DIFUSÃO).
O que é necessário para que ocorra Difusão?
 FONTE DE ENERGIA
Provida pelo movimento cinético (Ec) das próprias moléculas.
1. FÍSICA DA DIFUSÃO GASOSA E DAS PRESSÕES PARCIAIS
DOS GASES
1.1 BASE MOLECULAR
Gases Respiratórios:
(O2, CO2, N) Movimento rápido e aleatório
Moléculas livres (não conectadas fisicamente a outras).
 Movimento linear em alta velocidade até COLISÃO
com outras moléculas
Moléculas:
Saltam em novas direções e continuam
até bater, de novo, em outras moléculas. 
Difusão Efetiva de um Gás em uma Direção
– O Efeito do Gradiente de Concentração
1. FÍSICA DA DIFUSÃO GASOSA E DAS PRESSÕES PARCIAIS
DOS GASES
1.2 PRESSÕES GASOSAS EM UMA MISTURA DE GASES
O QUE CAUSA PRESSÃO?
 
Múltiplos impactos de
moléculas em movimento
contra uma superfície.
 
PRESSÃO DO GÁS NAS SUPERFÍCIES DAS VIAS
RESPIRATÓRIAS E DOS ALVÉOLOS:
É proporcional à soma das forças de impacto de todas as
moléculas daquele gás que atingem a superfície em
determinado .
PRESSÕES DOS GASES:
 P x [gás] 
 A pressão (P = F/A) é diretamente proporcional à 
 concentração das moléculas de gás.
 
 
1.2 PRESSÕES GASOSAS EM UMA MISTURA DE GASES
PRESSÃO PARCIAL (PP) DO GÁS 
O2= PO2
CO2= PCO2
N = PN
 
A Intensidade de Difusão de cada
um desses gases é diretamente
proporcional à Pressão (P) causada
por somente esse gás.
> [gás] > P > intensidade de Difusão
Ar – Composição:
79% de N + 21% de O2 PT
(nível do mar) = 760 mmHg
PRESSÃO PARCIAL DO GÁS 
Cada gás contribui para a PT, na proporção direta da sua []:
✔ N (79% de 760 mmHg) PN = 600 mmHg
✔ O2(21% de 760 mmHg) PO2 = 160 mmHg
 
Pressão Atmosférica X Altitude: 
1. FÍSICA DA DIFUSÃO GASOSA E DAS PRESSÕES PARCIAIS
DOS GASES
PO2 NA ATMOSFERA Varia com a altitude! 
É REDUZIDA A MEDIDA QUE AUMENTA A ALTITUDE!
Hipóxia tissular – ocorre primariamente nos tecidos, que em
virtude de seu metabolismo, consomem grande quantidade
de O2.
 
PO2 NA ATMOSFERA Varia com a altitude! 
INDIVÍDUOS SUBMETIDOS A SITUAÇÕES DE BAIXA PO2
Sintomas:
- Visuais
- Miocárdicos
- Neurológicos
Sintomas Visuais:
- Inicialmente diplopia e redução da
visão em ambiente escuro
HIPÓXIA DA RETINA E CENTROS
NERVOSOS A ELA ASSOCIADOS
 
Sintomas Miocárdicos:
- Aumento da frequência dos
batimentos e não é raro ocorrer
crise de angina do peito em
paciente com coronariopatia
Sintomas Neurológicos:
- Confusão mental
- Incoordenação motora
- Distúrbios do comportamento
que vão da euforia à ira
Respiração ofegante:
 levando à alcalose
respiratória, e o indivíduo
apresenta náuseas e
cefaleia
- Em situações extremas, podem ocorrer edemas pulmonar
e cerebral, bem como perda da consciência
1.3 PRESSÃO DOS GASES DISSOLVIDOS NA ÁGUA E NOS
TECIDOS
-Também exercem (P)
-As moléculas do gás dissolvido se movem aleatoriamente e
têm Ec
QUANDO O GÁS DISSOLVIDO NO LÍQUIDO ENCONTRA
SUPERFÍCIE (MEMBRANA CELULAR), EXERCE (PP) DA
MESMAMANEIRA QUE O GÁS NA FASE GASOSA
✔ Fatores que determinam a PP do Gás DISSOLVIDO em
líquido
Pressão Parcial = [gás] dissolvido
Coeficiente de Solubilidade
Lei de Henry 
✔ Moléculas de CO2 são física ou quimicamente atraídas
pelas moléculas de água
Muitas moléculas podem ser dissolvidas sem gerar excesso
de PP dentro da solução
 
Pressão Parcial = [gás] dissolvido
 (atm)
 Coeficiente de Solubilidade
 
vol. gás
dissolvido em
cada vol. de
H2O
Oxigênio 0,024
Dióxido de Carbono 0,57
Monóxido de Carbono 0,018
Nitrogênio 0,012
Hélio 0,008
Temperatura corporal
EM QUAL DIREÇÃO OCORRERÁ A
DIFUSÃO EFETIVA DO GÁS?
Se a PP for maior na Fase Gasosa nos
Alvéolos, no caso do O2
 mais moléculas difundirão para o
sangue
do que na outra direção. Se a PP do gá
for maior no Estado Dissolvido no
sangue, no caso do
CO2 a difusão efetiva ocorrerá
para fase gasosa nos alvéolos
1.3 PRESSÃO DOS GASES DISSOLVIDOS NA ÁGUA E NOS
TECIDOS
EM QUAL DIREÇÃO OCORRERÁ A DIFUSÃO EFETIVA DO GÁS? 
A diferença de Pressão causa a Difusão Efetiva
✔ Difusão dos Gases entre a Fase Gasosa nos Alvéolos e a Fase
Dissolvida no Sangue Pulmonar
PP de cada gás
(mistura de Gases
Respiratórios)
ALVÉOLO: CAPILARES ALVEOLARES:
 
FORÇA SAÍDA
CO2
 
Moléculas que se
movem
aleatoriamente
escapam (PP)
O2
Além da diferença de PP, quais outros fatores afetam a
difusão gasosa em líquido?
QUANTIFICAR A INTENSIDADE EFETIVA DE DIFUSÃO
NOS LÍQUIDOS
Fatores que afetam a difusão gasosa em líquido:
1. Solubilidade do gás no líquido
2. Área de corte transversal do líquido
3. Distância pela qual o gás precisa se difundir
4. Peso molecular do gás
5. Temperatura do líquido
1. Solubilidade do gás no líquido:
- Quanto > a solubilidade do gás > o número de
moléculas disponíveis para se difundir em determinada
diferença de PP
2. Área de Corte Transversal do Líquido:
- Quanto > a área de corte transversal da via de difusão 
> o número total de moléculas que se difundem
3. Distância pelo qual o gás precisa se difundir:
- Quanto > a distância necessária para as moléculas se
difundirem + tempo levará para que elas se difundam
por toda a distância
4. Peso Molecular do Gás:
- Quanto > a velocidade do movimento cinético das
moléculas, que é inversamente proporcional à raiz
quadrada do peso molecular > a difusão do gás
D ∞ ∆P x A x S
d x √PM
D = taxa de difusão
∆P = diferença de PP entre as duas
extremidades da via de difusão
A = área de corte transversal da via de
difusão
S = solubilidade do gás
 
D ∞ ∆P x A x S
d x √PM
d = distância de difusão
PM = Peso molecular do gás
 
As características do próprio gás determinam dois fatores da
fórmula: S e PM
 
Determinam o coeficiente de difusão do gás, que é proporcional
a
 S/√PM
S e PM :
As intensidades relativas em que diferentes gases, na mesma
PP, se difundirão são proporcionais a seus coeficientes de
difusão
 
1.3 PRESSÃO DOS GASES DISSOLVIDOS NA ÁGUA E NOS
TECIDOS
Assumindo que o coeficiente de difusão do O2 seja 1, os
coeficientes de difusão relativa de diferentes gases, com
importância respiratória, nos líquidos corporais são:
Oxigênio 1,0
Dióxido de Carbono 20,3
Monóxido de Carbono 0,81
Nitrogênio 0,53
Hélio 0,95
1.4 PRESSÃO DE VAPOR DA ÁGUA
Quando ar não umidificado é
inspirado para as vias aéreas
respiratórias
H2O
Imediatamente se evapora
das superfícies dessas vias
e umidifica o arMOLÉCULAS DE H2O ESCAPAM DA SUPERFÍCIE DA
ÁGUA PARA A FASE GASOSA
 
MOLÉCULAS DE H2O ESCAPAM DA SUPERFÍCIE
PARA A FASE GASOSA
A Pressão Parcial exercida pelas moléculas de água é
denominada Pressão de Vapor da água
 
T = 37°C PH2O = 47 mmHg
TEMPERATURA DA ÁGUA
Quanto > T > atividade cinética das moléculas >
probabilidade das moléculas de H2O escaparem:
DEPENDE
 
 
Ex.
- PH2O (0°C) = 5 mmHg
- PH2O (100°C) = 760 mmHg
1.5 LEI DOS GASES E APLICAÇÕES BIOLÓGICAS
Forças de Repulsão:
São mais fortes que a de atração! (as moléculas se
repelem, tendo tendência a se espalharem até o
infinito, se não forem contidas em
 Volume determinado)
GÁS EM UM RECIPIENTE!:
(o choque das moléculas do gás sobre as paredes é 
Força/Área ou Pressão)
 
For aquecido, ou resfriado:
- Volume
- Pressão
PODEM VARIAR!
Como definir um gás?
- Volume
- Pressão
- Temperatura
QUANDO SE CONHECE DOIS
DESSES VALORES, É POSSÍVEL
CALCULAR O TERCEIRO
 
Unidades usadas para medir esses parâmetros:
Volume – mm3, cm3 (mL), e m3 (SI)
 
Pressão – mm H 2O mHg, cm H2O ou Hg, atm, Torr
dines.cm-2 e N.m2 que é o Pascal (Pa) (SI)
 Temperatura - Centígrado oC e graus absolutos oK,
onde: oK = 273 + oC
Equivalência das unidades:
1 torr (Torricelli), é a pressão causada por uma coluna de 1 mm
de altura de Hg, em condições padrão de densidade do mercúrio
e de gravidade terrestre.
Portanto para finalidades biológicas:
1 torr = 1 mmHg
1 atm = 760 mmHg = 760 torr
1 Pa = 7,5 x 10-3 torr
1 torr = 1,33 x 102 Pa
1 Pa = 9,9 x 10-6 atm
1 atm = 1,01 x 105 Pa
Unidade coerente – Pa, que vale:
CONDIÇÕES PADRÃO NTP:
As variáveis Volume, Pressão e Temperatura são
tomadas em condições de referencial:
- Temperatura = 0oC ou 273oK
- Pressão = 1 atm ou 760 mmHg (760 torr)
Nessas condições 1 mol de um gás
tem volume de 22,4 litros (1 kmol =
22,4 m3)
GÁS – VOLUME, PRESSÃO e TEMPERATURA
Lei de Boyle-Mariotte
Relaciona o Volume e a Pressão de um gás, quando a
temperatura é constante “O volume de gás é inversamente
proporcional à pressão, mantida constante a temperatura”
 
 
P1V1 = P2V2
Ex. – um litro de gás à pressão de 1 Pa é submetido à
pressão de 4 Pa. 
Qual sua variação de volume?
1 Pa x 1 L = 4 Pa x X X = 0,25 L
Aplicação biológica:
Explica as mudanças de pressão que o ar sofre, ao sair e
entrar nos pulmões, além de outras aplicações técnicas
Lei de Gay-Lussac-Charles
Relaciona o Volume de um gás com a Temperatura “O
volume de gás é diretamente proporcional a temperatura
absoluta, mantida a pressão constante”
GÁS – VOLUME, PRESSÃO e TEMPERATURA
 
 
V1T2 = V2T1
Ex. 5 – Meio litro de ar a 20oC é aspirado para o pulmão.
A 37oC qual é o seu aumento de volume?
T1 = 273 + 20 = 293 K
T2 = 273 + 37 = 310 K
Lei de Geral dos Gases
Combinação das duas leis anteriores, obtida através da teoria
cinética da matéria 
PV = nRT
GÁS – VOLUME, PRESSÃO e TEMPERATURA
 
 
R = 8,3 x 103
J.Kmol-1 oK-1
R = 8,3 J.mol-1 oK-1