Cap 39 - Princípios Físicos das Trocas Gasosas

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Biofísica e Fisiologia I – Akinori
Princípios Físicos das Trocas Gasosas
Depois que os alvéolos são ventilados com ar atmosférico, a próxima etapa, no processo respiratório, é a difusão do oxigênio dos alvéolos para o sangue pulmonar, e difusão do dióxido de carbono na direção oposta, para fora do sangue.
O Princípio da Troca Gasosa
O ar atmosférico, bem como fluidos, é deslocado de um meio de alta pressão para um meio de baixa pressão. Numa mesma área, quanto maior o volume maior a pressão. Com o mesmo volume, quanto maior a área menor a pressão.
Lei de Dalton 
Comportamento dos gases captados em maior quantidade na ventilação: 
· O2 20,9 % (concentração) 159 mmHg (pressão parcial atmosférica)
· CO2 0,04% 0,3 mmHg
· N 2 78,6 % 597 mmHg
· H2O 0,46 % 3,5 mmHg
Ou seja, quanto maior a concentração, maior a pressão parcial desses gases.
Pressão Parcial dos Gases
· Pressão Parcial Atmosférica = Concentração do gás X Pressão Atmosférica total
· Pressão Parcial Atmosférica de O2 = 0,21 (concentração) x 760 mmHg (Pressão Atmosférica Total) 159 mmHg. 
· altitude [O2] Pressão Parcial de O2.
Lei de Henry 
· Forma de encontrar a pressão parcial do gás no fluido (líquido): a pressão parcial do gás solubilizado em líquido é diretamente proporcional à concentração e inversamente proporcional ao coeficiente de solubilidade. Isto é, quanto mais gás, mais solubilizado este ficará. Quanto maior o coeficiente de solubilidade, menor será a pressão parcial do gás no fluido. 
· O oxigênio tem baixo coeficiente de solubilidade e, com isso, alta pressão parcial. Já o CO2 tem coeficiente de solubilidade aproximadamente 20x maior que o do oxigênio. 
· Isso tudo acaba resultando no coeficiente de difusão: o CO2 é 20x mais difusível pela barreira alveolocapilar que o O2, pois seu coeficiente de difusão é 20x maior que o do O2. 
· Assim, em qualquer pequena ventilação, é mais fácil retirar CO2 do sistema que captar O2. Logo, se houver uma doença que acomete a bomba ventilatória (como a caixa torácica), a ventilação será prejudicada, a difusão de CO2 será fácil e este ficará retido, culminando numa acidose respiratória.
A diferença de pressão causa a difusão efetiva
· Quando a pressão parcial do gás é maior em uma área do que em outra, a difusão efetiva vai ocorrer da área de maior pressão para a de menor pressão (Só lembrar que a diferença de concentração é diretamente proporcional à intensidade da difusão.)
· Portanto, a difusão efetiva do gás do meio de alta pressão para o de baixa pressão é igual ao número de moléculas que se move nessa direção menos o número de moléculas que se move na direção oposta, o que é proporcional à diferença da pressão parcial do gás entre essas duas áreas .
· As trocas gasosas entre o ar alveolar e o sangue capilar pulmonar ocorrem através das membranas de todas as porções terminais dos pulmões, e não apenas nos alvéolos. Essas membranas são coletivamente chamadas de membrana respiratória ou membrana pulmonar. 
· Os fatores que determinam a velocidade de difusão dos gases através da membrana respiratória são:
1. A diferença de pressões entre os dois lados da membrana a diferença de pressões através da membrana respiratória é a diferença entre a pressão parcial de um gás nos alvéolos e a pressão parcial desse mesmo gás no sangue.
2. A área da membrana
3. O coeficiente de difusão do gás na substância da membrana
4. A espessura da membrana
· Quanto maior a diferença de pressão (P), maior a difusão;
· Quanto maior a área alveolar (A), mais fácil é a troca e maior será, assim, a difusão; 
· Quanto mais solúvel (S) é o gás, maior a difusão. Isto é, quanto melhor a diluição, melhor a difusão.
· Em relação à distância da barreira alveolocapilar: se a distância (d) é maior, a difusão é dificultada quanto maior a distância, menor a difusão. 
· Em relação ao peso molecular (PM) quanto maior a molécula, mais difícil é a difusão
· Quantificando a Intensidade Efetiva de Difusão:
Diferenças entre o Ar Alveolar e o Ar Atmosférico
· O ar alveolar não tem, de forma alguma, as mesmas concentrações dos gases do que no ar atmosférico. Existem várias razões para essas diferenças:
· O ar alveolar é substituído apenas parcialmente pelo ar atmosférico a cada respiração.
· O oxigênio é constantemente absorvido pelo sangue pulmonar do ar alveolar.
· O dióxido de carbono se difunde constantemente do ar pulmonar para os alvéolos.
· O ar atmosférico seco que entra nas vias respiratórias é umidificado até mesmo antes de atingir os alvéolos.
Umidificação do ar nas Vias Respiratórias
· Assim que o ar atmosférico entra nas vias respiratórias, ele é exposto a líquidos que recobrem as superfícies respiratórias. Ou seja, mesmo antes do ar antrar nos alvéolos, ele fica totalmente umidificado.
· O valor normal da pressão do vapor d’água é de 47 mmHg. Se já existe o vapor d’água pré-existente na via aérea, é preciso descontá-lo quando o ar atmosférico entra. Assim, a pressão alveolar de oxigênio, por exemplo, é diferente da pressão atmosférica de oxigênio, pois desconta-se o vapor d’água.
· Essa umidificação dilui a pressão parcial de oxigênio de 159 para 149 mmHg , e dilui também a pressão parcial do nitrogênio de 597 para 563 mmHg.
Intensidade com que o Ar alveolar é Renovado pelo Ar atmosférico
· A capacidade funcional residual média dos pulmões de um homem é cerca de 2300 ml. Contudo, apenas 350 ml de ar novo chegam aos alvéolos a cada inspiração normal, e essa mesma quantidade é expirada. 
· Portanto, o volume do ar alveolar substituído por ar atmosférico novo a cada respiração é apenas 1 sétimo do total, ou seja, são necessárias múltiplas respirações para ocorrer a troca da maior parte do ar alveolar.
· Essa lenta substituição do ar alveolar é de particular importância para evitar mudanças repentinas nas concentrações de gases no sangue. Isso torna o mecanismo do controle respiratório muito mais estável e ajuda a evitar aumentos e quedas excessivas da oxigenação tecidual, da concentração tecidual de CO2 e do pH dos tecidos quando a respiração é interrompida temporariamente.
Concentração de Oxigênio e Pressão Parcial nos Alvéolos
· O oxigênio é continuamente absorvido dos alvéolos pelo sangue pulmonar, e novo oxigênio é respirado pelos alvéolos, vindo da atmosfera. 
· Quanto mais rápido o oxigênio for absorvido, menor a sua concentração nos alvéolos. Por outro lado, quanto mais rápido o oxigênio for respirado pelos alvéolos, maior fica a sua concentração.
· Portanto, a concentração de oxigênio nos alvéolos (e, consequentemente, sua pressão parcial) é controlada pela intensidade de absorção do oxigênio pelo sangue e pela intensidade de entrada de novo oxigênio nos pulmões pelo processo ventilatório.
· Pela figura, podemos ver que quando 1000 ml de oxigênio estão sendo absorvidos por minuto, como durante exercício moderado, a intensidade de ventilação alveolar precisa aumentar por quatro vezes para manter a PO2 no valor normal de 104 mmHg
· Também podemos ver que o aumento extremo na ventilação alveolar nunca consegue aumentar a PO2 alveolar acima de 149 mmHg, desde que a pessoa esteja respirando ar atmosférico normal no nível da pressão do mar, pois trata-se da PO2 máxima no ar umidificado com essa pressão.
Concentração e Pressão Parcial de CO2 nos alvéolos
· O dióxido de carbono é continuamente formado no corpo, e então transportado no sangue para os alvéolos, sendo de modo contínuo removido destes pela ventilação.
· A PCO2 alveolar aumenta diretamente na proporção da excreção de dióxido de carbono.
· A PCO2 alveolar diminui na proporção INVERSA da ventilação alveolar.
· Portanto, as concentrações e as pressões parciais, tanto do oxigênio como do dióxido de carbono, nos alvéolos são determinadas pelas intensidades de absorção ou excreção dos dois gases, e pelo valor da ventilação alveolar.
Obs: O ar ventilado é uma combinação do ar do espaço morto e do ar alveolar, pois o ar do espaço morto nas vias respiratórias é geralmente umidificado. Então, progressivamente, mais e mais ar alveolar semistura com o ar do espaço morto, até que todo ar do espaço morto tenha sido por fim eliminado, e nada além de ar alveolar seja expirado no final da expiração.
Difusão de Gases através da membrana respiratória
· Unidade Respiratória Composta por bronquíolo respiratório, ductos alveolares, átrios e alvéolos.
· Existem cerca de 300 milhões de alvéolos nos dois pulmões, e cada alvéolo tem diâmetro médio em torno de 0,2 milímetro. As paredes alveolares são extremamente finas e, entre os alvéolos, existe uma malha quase sólida de capilares interconectados.
· Na verdade, devido à extensão do plexo capilar, o fluxo da sangue na parede alveolar é descrito como lâmina de fluxo sanguíneo. Assim, é obvio que os gases alveolares estão bastante próximos do sangue dos capilares pulmonares.
· A troca gasosa entre o ar alveolar e o sangue pulmonar se dá através das membranas DE TODAS AS PORÇÕES TERMINAIS DOS PULMÕES E NÃO APENAS DOS PRÓPRIOS ALVÉOLOS. 
· Todas essas membranas são conhecidas coletivamente como membrana respiratória, ou membrana pulmonar, que possui 6 camadas:
1) Camada de líquido revestindo o alvéolo e contendo surfactante
2) Epitélio alveolar (células epiteliais finas)
3) Membrana basal epitelial
4) Espaço intersticial delgado entre epitélio alveolar e a membrana capilar
5) Membrana basal capilar (pode se fundir com a membrana basal epitelial)
6) Membrana endotelial capilar
Obs: Membrana respiratória possui área superficial grande, o que explica a rapidez da troca respiratória do oxigênio e do dióxido de carbono.
· O diâmetro médio dos capilares pulmonares é de apenas 5 micrômetros, o que significa que as hemácias precisam se espremer ao passar por eles. A membrana da hemácia em geral toca a parede capilar, de maneira que não é preciso que o oxigênio e o dióxido de carbono atravessem quantidades significativas de plasma enquanto se difundem, o que também aumenta a rapidez do processo.
Fatores que afetam a intensidade da difusão gasosa pela membrana respiratória:
1) Espessura da Membrana
· Pode aumentar em decorrência de líquido de edema no espaço intersticial da membrana, e nos alvéolos, de maneira que os gases respiratórios precisam então se difundir não só através da membrana, mas através desse líquido.
· Além disso, algumas doenças pulmonares que causam fibrose dos pulmões podem também aumentar a espessura de algumas porções da membrana.
· A difusão através da membrana é inversamente proporcional à espessura. A partir disso, podemos concluir que qualquer fator que aumente a espessura por mais de duas a três vezes o normal pode afetar significativamente a troca respiratória.
2) Área da Superfície da Membrana
· Pode ser bastante reduzida em decorrência de algumas condições como a remoção de um pulmão.
· No enfisema, a área também é reduzida, pois muitos alvéolos coalescem.
· Quando a área da superfície total diminui até cerca de um terço a um quarto da normal , a troca gasosa fica comprometida, até mesmo sob condições de repouso.
· Durante esportes de competição e outros exercícios vigorosos, até mesmo ligeira redução dessa área afeta a troca gasosa.
3) Coeficiente de difusão
· Depende diretamente da solubilidade do gás na membrana, e inversamente da raiz quadrada do peso molecular do gás.
· CO2 tem coeficiente de difusão cerca de 20x o do O2.
4) Diferença de Pressão através da membrana
· É a diferença entre a pressão parcial do gás nos alvéolos e a pressão parcial do gás no sangue dos capilares pulmonares.
· A diferença entre essas duas pressões é medida da tendência efetiva das moléculas do gás em se moverem através da membrana.
· Quando a pressão parcial do gás nos alvéolos é maior do que a pressão do gás no sangue, ocorre difusão efetiva dos alvéolos para o sangue (oxigênio). Quando a pressão parcial do gás nos alvéolos é menor do que a pressão do gás no sangue, ocorre difusão efetiva do sangue para os alvéolos (CO2).
Capacidade de Difusão da Membrana Respiratória
· É a capacidade da membrana respiratória de trocar um gás entre os alvéolos e o sangue pulmonar, ou seja, o volume de gás que se difundirá através da membrana a cada minuto, para a diferença de pressão parcial de 1 mmHg.
· Todos os fatores que afetam a difusão através da membrana afetam essa capacidade.
· No homem jovem mediano, a capacidade de difusão de oxigênio EM REPOUSO é de cerca de 21 ml/min/mmHg.
· Ou seja, a intensidade de utilização de oxigênio em repouso é de cerca de 230 ml a cada minuto, pois multiplicamos a capacidade de difusão desse gás pela sua diferença de pressão média através da membrana.
· Durante o exercício vigoroso ou em outras condições que aumentem muito o fluxo de sangue pulmonar e a ventilação alveolar, a capacidade de difusão do oxigênio pode aumentar até o máximo de 65 ml/min/mmHg (triplo do repouso)
Obs: Esse aumento pode ser causado por vários fatores, como a abertura de muitos capilares pulmonares até então adormecidos e melhor equiparação entre a ventilação dos alvéolos e a perfusão dos capilares alveolares (proporção ventilação-perfusão). Portanto, durante o exercício, a oxigenação do sangue aumenta, não só pela maior ventilação alveolar como também pela maior capacidade difusora da membrana respiratória, para transportar oxigênio para o sangue.
· A capacidade de difusão do dióxido de carbono nunca foi medida por causa de dificuldades técnicas como a velocidade de difusão ser tão rápida que a PCO2 média no sangue não difere muito da PCO2 nos alvéolos.
· Porém, sabendo que a capacidade de difusão depende do coeficiente de solubilidade, e que o CO2 é 20x mais difundível do que o O2, seria possível calcular essa capacidade de difusão, que nas condições de repouso foi descrita como entre 400 e 500 ml/min/mmHg e durante o exercício, entre 1200 e 1300 ml/min/mmHg.
Relação ventilação/perfusão (V/Q)
As doenças hipoxêmicas podem estar relacionadas tanto com o sistema respiratório tanto com o sistema cardiovascular:
· Com má ventilação, a relação tende a 0 Shunt (desvio) fisiológico = unidades pulmonares que perfundem mas não ventilam – sangue venoso misto que passa pelos capilares pulmonares não é oxigenado ao passar pelos pulmões. 
· O ideal é que o indivíduo respire e perfunda! 
· Com má perfusão, a relação tende ao infinito Espaço morto fisiológico = unidades pulmonares que ventilam mas não perfundem – há muito mais oxigênio nos alvéolos do que deles pode ser retirado pelo fluxo sanguíneo. Assim, a ventilação dos alvéolos e do espaço morto anatômico são desperdiçadas ventilação do espaço morto fisiológico. 
· Quando a relação ventilação-perfusão tem valor nulo ou infinito, não há, nos alvéolos afetados, trocas gasosas através da membrana respiratória. 
Obs.1: Espaço morto anatômico é o espaço do conduto respiratório onde fica o ar que não serve para a troca. 
Obs.2: Respiração mecânica paciente tende a espaço morto fisiológico.
Obs.3: Doenças musculares paciente tende a shunt fisiológico.
Obs.4: A tendência a não ventilar (Shunt) diminui o O2 e aumenta o CO2 no sistema.
Obs.5: Em uma situação de espaço morto fisiológico, a troca vai ocorrer, retirando CO2 e entrando O2, mas a perfusão não acontece adequadamente. 
Contexto do Exercício Físico:
· Consumo de O2
· Débito Cardíaco
· Tempo de difusão 
· Mecanismo compensatório: área de superfície ( V/Q) – como a musculatura é mais aeróbia que anaeróbia e não suporta alto impacto, passa-se a usar volume de reserva inspiratório para poder aumentar o deslocamento de volume renovado para dentro dos alvéolos, aumentando a amplitude da ventilação a cada ciclo. 
Diferença de V/Q nas regiões pulmonares
O pulmão é como se fosse uma bomba hidráulica que empurra fluido. Nas regiões superiores tende a se formar unidades de espaço morto fisiológico, e nas regiões inferiores, shunt. A unidade central tende a ser normal.
· Nos ápices pulmonares, a relação V/Q tem valor 2,5 x maior que o ideal, o que provoca o aparecimento, em grau moderado, de um espaço morto fisiológico nessa área do pulmão. Contudo, durante o exercício,o fluxo de sangue para os ápices aumenta acentuadamente, de modo que o espaço morto fisiológico diminui muito e a eficácia das trocas gasosas se aproxima da ideal. 
· No outro extremo, nas bases pulmonares existe pouca ventilação para o grau de perfusão sanguínea, o que resulta em relação V/Q de valor igual a 0,6 do valor ideal. Nessa área, pequena fração do sangue deixa de ser oxigenada normalmente e isso equivale a um shunt fisiológico. 
Obs: Isso vai mudar com a pessoa deitada, em decúbito lateral direito, esquerdo, ou dorsal. 
 A pressão da região superior do espaço pleural é mais baixa ainda que o resto, porque o pulmão, que praticamente é preso apenas no mediastino, tende a descer pela força da gravidade, aumentando o espaço pleural na parte superior. Essa pressão muito baixa sustenta o pulmão pra cima, de modo que o raio de todos os alvéolos superiores sejam maiores. Na região inferior, a pressão interpleural embora seja baixa, é menos baixa que na região superior. Contudo, por serem maiores, os alvéolos superiores têm maior volume residual dentro deles. Por isso, os alvéolos inferiores ventilam relativamente menos, porque eles têm menor volume dentro deles, tendo menor pressão, embora tenham menores áreas e o ar quando entra busca a região de menor pressão. Eles vão se encher mais, porque tem menos ar anteriormente acumulado dentro deles, então eles têm maior distensão que os superiores O ar entra e a base começa a encher. Conforme vai atingindo as pressões, vai expandindo de baixo para cima. A ventilação de ar renovado é maior em cima.
Observações Finais
· Logo, se houver uma doença que acomete a bomba ventilatória (como a caixa torácica), a ventilação será prejudicada, a difusão de CO2 será fácil e este ficará retido, culminando numa acidose respiratória.
· Em doenças parenquimatosas pulmonares nas quais alvéolos estão repletos de secreção, como a pneumonia, o pouco espaço efetivo de troca gasosa vai induzir a uma diminuição de oxigênio no sangue. Haverá, então, um estímulo central para o indivíduo captar mais oxigênio aumento da frequência respiratória. Ou seja, o paciente estava entrando num quadro de hipoxemia e faz uma taquipneia para tentar compensar. No início da doença, é comum que não haja distúrbio de pH, pois o CO2 ainda consegue sair, mas, com o avanços da doença, a quantidade de CO2 no sistema vai aumentando, causando acidose. No início da doença, o individuo pode, inclusive, expressar alcalose respiratória, quando a taquipneia é muito intensa para tentar compensar a falta de O2 e a perda de CO2 é muito acentuada. 
· Com um distúrbio muscular, a exemplo dos intercostais e diafragma, como por polimielite, a ventilação será prejudicada, de modo que haverá alteração de pH, pois não ocorre a troca gasosa. As doenças de parede cursam logo de início com alteração de pH, por aumento de dióxido de carbono, pois a bomba ventilatória não está sendo eficaz Hipercapnia com hipoxemia. 
· Na ventilação mecânica o circuito é fechado, não tendo mais contato com a atmosfera. O ar é empurrado para as vias aéreas e o sistema é pressurizado, de modo que isso aumenta a facilidade com que o ar é deslocado para dentro do sangue.
Insuficiências Respiratórias
· Insuficiência respiratória tipo 1 acometimento no parênquima.
· Insuficiência respiratória tipo 2 acometimento na bomba ventilatória. 
Obs.: Frequência respiratória normal 12 – 20 irpm (incursão respiratória por minuto);
 Taquipneia aumento da frequência respiratória;
 Bradipneia diminuição da frequência respiratória.
 Concentração arterial de CO2 normal de 35 a 45 mmHg.
 PaO2 normal de 60 a 100 mmHg.
 Hipoxemia queda da taxa de oxigênio no sangue.
 Hipoxia falta de O2 nos tecidos. 
 Anoxia AUSÊNCIA de oxigênio. 
 Hiperoxia aumento da concentração de oxigênio.
 Hipercapnia aumento da concentração de CO2.
 Hipocapnia diminuição da concentração de CO2.
· Na inspiração o alvéolo dilata e se aproxima do capilar, diminuindo a barreira, aumentando a área de troca e facilitando a difusão. Em doenças como a fibrose pulmonar, há limitação da barreira hematoaérea e, com isso, a difusão é comprometida. 
· A espessura da barreira de perfusão é de, normalmente, 50 micrometros
· Os músculos respiratórios têm mais fibras vermelhas que brancas, de modo que estes se fadigam rapidamente, não sendo capazes de exercícios com alta força nem mesmo por um curto período de tempo. 
· A PCO2 alveolar aumenta em proporção direta à velocidade de excreção do dióxido de carbono e inversa à ventilação alveolar. 
Fatores
Espessura da membrana
Área superficial da membrana
Coeficiente de difusão do gás
Diferença de pressão parcial do gás entre os dois lados da membrana