Biofisica da respiração

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Evolução 
• O2: Linha do tempo sobre a concentração 
atmosférica de O2 -> principais eventos evolutivos -> 
aparecimento de organelas -> mitocôndrias -> 
respiração que antes era anaeróbica, passa a ser 
aeróbica -> mudança no processo respiratório -> 
extremamente importante para obtenção de energia 
(metabólica). 
-> “Respiração celular 
refere-se à reação 
intracelular do oxigênio 
com moléculas 
orgânicas para 
produzir dióxido de 
carbono, água e 
energia na forma de 
ATP”. 
• Evolutivamente -> grande reserva pulmonar! 
• Respiração -> Interação -> Pulmão -> Vias 
condutoras -> Sistema nervoso -> Músculos 
respiratórios. 
Cãrãçterístíçãs Gerãís 
• Os órgãos respiratórios têm diversas formas, porém 
todos possuem uma grande área de superfície 
comprimida em um pequeno espaço. 
• Os pulmões humanos são encerrados na cavidade 
do tórax para limitar o seu contato com o ar exterior. 
A internalização cria um ambiente úmido ideal para 
as trocas gasosas com o sangue e protege a 
delicada superfície alveolar de danos. 
 
 
 
 
• A internalização dos pulmões cria outro desafio: 
como mover o ar entre a atmosfera e a superfície de 
troca localizada profundamente dentro do corpo - > 
gradiente de pressão (contração da musculatura). 
• ↑ Área de secção transversa (somatório) ↓ 
velocidade do fluxo de ar -> melhor troca gasosa e 
aquecimento do ar. A velocidade do fluxo de ar é 
maior nas vias aéreas superiores e menor a partir 
dos bronquíolos terminais. 
 
 
 
 
 
 
 
• Fluxo de ar na traqueia é muito alta -> sistema vai 
se ramificado -> velocidade do fluxo de ar vai 
diminuindo. 
• Ar chega com baixa velocidade nos pulmões -> 
somatório das áreas nos ácinos e alvéolos 
pulmonares -> troca gasosa mais eficiente nos 
alvéolos. 
• Princípios que governam o fluxo global (de massa) 
de sangue no sistema circulatório: 
 1. O fluxo ocorre a partir de regiões de pressão 
mais alta para regiões de pressão mais baixa. 
2. Uma bomba muscular cria gradientes de pressão. 
3. A resistência ao fluxo de ar é influenciada 
principalmente pelo diâmetro dos tubos pelos quais 
o ar está fluindo. 
• A diferença primária entre o fluxo de ar no sistema 
respiratório e o fluxo sanguíneo no sistema 
circulatório é que o ar é uma mistura de gases 
menos viscosa e compressível, ao passo que o 
sangue é um líquido não compressível. 
Função do Sístemã Respírãtorío 
-> Troca gasosa entre a atmosfera e o sangue. O 
corpo traz o O2 e o distribui para os tecidos, 
eliminando o CO2 produzido pelo metabolismo. 
“Os pulmões de um homem de 70 kg possuem uma 
superfície de trocas gasosas de grande tamanho, 
comprimida em um volume que é bem menor. 
Necessário para suprir os trilhões de células do 
corpo com quantidade adequada de oxigênio.” 
-> Regulação homeostática do pH do corpo. Os 
pulmões podem alterar o pH corporal retendo ou 
eliminando seletivamente o CO2. 
-> Mecanismos de defesa pulmonar; o epitélio 
respiratório é bem suprido com mecanismos de 
defesa que aprisionam e destroem substâncias 
potencialmente nocivas antes que elas possam 
entrar no corpo. 
-> Metabolismo pulmonar: fonte significativa de 
perda de água e de calor do corpo. Essas perdas 
devem ser balanceadas com o uso de 
compensações homeostáticas. 
-> Manipulação de materiais bioativos; 
-> Fonação / Vocalização: o ar move-se através das 
pregas vocais, criando vibrações usadas para falar, 
cantar e outras formas de comunicação. 
Respírãção externã 
• Pode ser subdividida em quatro processos 
integrados: 
1. A troca de ar entre a atmosfera e os pulmões. -> 
ventilação, ou respiração. 
 
 
 
2. A troca de O2 e de CO2 entre os pulmões e o 
sangue. 
3. O transporte de O2 e CO2 pelo sangue. 
4. A troca de gases entre o sangue e as células. 
Ventílãção e ã leí dos gãses 
Com mover o ar da atmosfera para o Pulmão? 
-> Gradiente de Pressão. 
• Para que tenha a movimentação de ar para os 
alvéolos é necessário que ele esteja com uma menor 
pressão que a atm -> INSPIRAÇÃO (inalação) é o 
movimento do ar para dentro dos pulmões. 
• EXPIRAÇÃO (exalação) é o movimento de ar para 
fora dos pulmões -> retirada do ar nos alvéolos -> 
pressão alveolar tem ficar maior que a atmosférica. 
LEI DE DALTON: PRESSÃO PARCIAL DO GÁS (PGÁS) 
 
• O ar é uma mistura de gases -> A lei de Dalton 
afirma que a pressão total exercida por uma mistura 
de gases é a soma das pressões exercidas pelos 
gases individualmente. 
• A pressão de um único gás em uma mistura é 
conhecida como pressão parcial (Pgás). 
• Pressão atmosférica (Patm) convencionou-se em 0 
cmH2O ao nível do mar. Isso foi feito para que a 
determinação da mecânica respiratória em locais 
com menor ou maior disponibilidade de oxigênio ou 
com maior ou menor umidade e temperatura do ar 
seja efetuada com maior facilidade. 
• Por que é importante considerar a umidade e a 
temperatura do ar? Captação de 02 é menor em 
ambientes acima do nível do mar 
Em La Paz 490 mmHg, PO2: 103 mmHg 
LEI DE BOYLE: RELAÇÃO PRESSÃO-VOLUME 
 
• A pressão exercida por um gás ou por uma mistura 
de gases em um recipiente fechado é criada pelas 
colisões das moléculas do gás em movimento com as 
paredes do recipiente e umas com as outras. 
• Se o tamanho do recipiente é reduzido, os choques 
entre as moléculas de gás e as paredes tornam-se 
mais frequentes, a pressão aumenta. 
-> Pulmões e Alvéolos aumentam o seu volume para 
diminuir a pressão. 
-> Pulmões e Alvéolos diminuem o seu volume para 
aumentar a pressão. 
 
 
 
Os mecanismos pelos quais a ventilação 
ocorre são chamados coletivamente de 
mecânica da respiração. 
Como alterar o Volume Pulmonar? 
• Quando o volume do tórax aumenta, a pressão 
alveolar diminui, e o ar flui para dentro do sistema 
respiratório. Quando o volume do tórax diminui, a 
pressão alveolar aumenta, e o ar flui para a 
atmosfera. Esse movimento de ar é chamado de 
FLUXO DE MASSA, visto que toda a mistura de gás 
está se movendo, e não somente um ou dois dos 
gases distribuídos pelo ar. 
• Ação dos músculos na inspiração e expiração 
(passiva) 
-> Esforço Físico, Fala, Canto, Tosse, Espirro, 
Patológico -> Situações em que existe expiração 
forçada. 
Como ã çontrãção musçulãr expãnde o pulmão? 
• Sacos pleurais envolvem os pulmões; pulmões são 
formados por tecido leve e esponjoso, cujo volume é 
ocupado basicamente por espaços cheios de ar. 
• Cada pulmão é rodeado por um saco pleural de 
parede dupla, cujas membranas forram o interior do 
tórax e cobrem a superfície externa dos pulmões. 
Cada membrana pleural/pleura é formada por 
muitas camadas de tecido conectivo elástico e um 
grande número de capilares. As camadas opostas 
da membrana pleural são mantidas unidas por uma 
fina camada de líquido pleural. 
• As forças de coesão do líquido intrapleural 
promovem a adesão dos pulmões à caixa torácica. 
Quando a caixa torácica se movimenta durante a 
respiração, os pulmões movem-se junto. 
• Alvéolos são estirados pelo parênquima pulmonar. 
• SITUAÇÃO DE REPOUSO -> FORÇAS OPOSTAS -> 
parede torácica atua para manter os alvéolos 
abertos opondo-se a retração elástica -> pressão do 
líquido pleural fica menor do que a atmosférica -> 
pressão negativa interpleural (SEMPRE!). 
PRESSÃO ALVEOLAR -> PODE SER POSITIVA OU NEGATIVA. 
• Rompimento da pleura -> modificações da pressão. 
 
 
 
Pressoes 
• Durante a ventilação, o ar flui devido aos 
gradientes de pressão. 
 
• Palveolar: Pressão de retração elástica (negativa 
na inspiração; positiva na expiração). 
•Pintrapleural: Pressão do espaço pleural 
subatmosférica -3 a -5 cm H2O. (Pressão intrapleural 
negativa ou Pressão intratorácica negativa) 
 
OBS: gráfico (pressão 0 -> patm = palveolar). 
INSPIRAÇÃO 
• Ocorre quando a pressão alveolar diminui: para 
que o ar possa se mover para dentro dos alvéolos, a 
pressão dentro dos pulmões deve ser mais baixa do 
que a pressão atm. De acordo com a lei de Boyle, 
um aumento no volume gera uma redução na 
pressão.Durante a inspiração, o volume torácico 
aumenta quando músculos esqueléticos da caixa 
torácica e o diafragma se contraem. (F.H) 
 
 
Pneumotórax: se a cavidade pleural for aberta e 
ficar conectada à atmosfera, o ar flui para dentro. 
A ligação que mantém o pulmão aderido à caixa 
torácia é perdida, e o pulmão colapsa, criando um 
pneumotórax (ar no tórax). 
Ptranspulmonar = Palveolar – Pintrapleural 
-> Quando o diafragma contrai, ele 
desce em direção ao abdome. 
• Lembre-se que a pressão atm recebe o valor de 0 
mmHg. Números negativos designam pressões 
subatmosféricas, e números positivos denotam 
pressões maiores do que a atmosférica. 
• TEMPO 0: a breve pausa entre as respirações, a 
Palveolar é igual à Patm (A1). Quando as pressões 
são iguais, não há fluxo de ar. 
• Tempo 0 a 2 segundos: inspiração. 
-> Com o aumento do volume, a pressão alveolar 
diminui cerca de 1 mmHg abaixo da pressão 
atmosférica (A2), e o ar flui para dentro dos alvéolos 
(ponto C1 a C2). A mudança do volume torácico 
ocorre mais rapidamente do que a velocidade do ar 
fluindo para dentro dos pulmões, e, assim, a pressão 
alveolar atinge o seu valor mais baixo no meio do 
processo de inspiração (A2). 
-> Como o ar continua a fluir para dentro dos 
alvéolos, a pressão aumenta até a caixa torácica 
parar de expandir-se, imediatamente antes do 
término da inspiração. O movimento do ar continua 
por mais uma fração de segundo, até que a pressão 
dentro dos pulmões se iguala à pressão atm (A3). Ao 
término da inspiração, o volume pulmonar está no 
seu valor máximo no ciclo respiratório (C2), e a 
pressão alveolar é igual à pressão atmosférica. 
EXPIRAÇÃO 
• Ocorre quando a pressão alveolar aumenta: 
• Tempo 2 a 4 segundos: expiração. 
-> Como os volumes pulmonares e torácicos 
diminuem durante a expiração, a pressão de ar nos 
pulmões aumenta, atingindo cerca de 1 mmHg 
acima da Patm (A4). A Palveolar é agora maior do 
que a Patm -> fluxo de ar se inverte -> ar move-se 
para fora dos pulmões. 
• Tempo 4 segundos: no final da expiração, o 
movimento de ar cessa quando a Palveolar 
novamente se iguala à Patm (A5). O volume 
pulmonar atinge o seu valor mínimo dentro do ciclo 
respiratório (ponto C3). Nesse ponto, o ciclo 
respiratório terminou e está pronto para ser iniciado 
novamente com a próxima respiração. 
• PRESSÃO INTRAPLEURAL SUBATMOSFÉRICA: a 
combinação da caixa torácica puxando para fora e 
a retração elástica dos pulmões puxando para 
dentro cria uma pressão intrapleural subatmosférica 
de cerca de 3 mmHg. (F.H) 
Meçãníçã Respírãtoríã 
I. Músculos da caixa torácica e o diafragma 
funcionam como uma bomba; 
 
II. A maior parte do tecido pulmonar 
(parênquima) é um fino epitélio de troca e 
fibras elásticas e colágenas; 
 
 
III. Músculos contraem e pulmões expandem, 
uma vez que estão presos à parede interna 
do tórax pelo líquido pleural (seroso). 
Pintrapleural+neg. 
 
IV. Para mover o ar para dentro dos alvéolos, a 
pressão dentro dos pulmões deve ser mais 
baixa do que a pressão atmosférica. 
 
 
V. Boyle: ↑volume ↓pressão. 
Complãçençíã 
• Os dois fatores que têm maior influência na 
quantidade de trabalho necessária para a 
respiração são a DISTENSIBILIDADE dos pulmões e a 
RESISTÊNCIA das vias aéreas ao fluxo de ar. 
• Complacência: quantª de força (pressão) para 
alterar o volume pulmonar (expansão). Clinicamente, 
a habilidade do pulmão de se estirar. 
 
-> Um pulmão de alta complacência pode ser 
estirado facilmente. Um pulmão com baixa 
complacência requer mais força (maior 
Pintrapulmonar) dos músculos inspiratórios para ser 
estirado. ( 
- HISTERESE: diferenças nas curvas de complacência 
inspiratória (mais trabalho) e expiratória. 
 
 
 
 
 
 
Diminui a complacência: 
 
 
 
 
 
 
 
• DOENÇA RESTRITIVA PULMONAR: condições 
patológicas nas quais a complacência está reduzida 
-> mais trabalho deve ser realizado para estirar um 
pulmão mais rígido. 
Exemplos: 
 
 
 
 
 
 
-> FIBROSE PULMONAR: desenvolvimento de tecido 
fibroso cicatricial rígido que restringe a insuflação 
pulmonar; 
-> Sarcoidose. 
-> Lesão química ou térmica pulmonar. 
-> Congestão vascular pulmonar ou áreas de 
alvéolos colapsados (atelectasia -> dificuldade de 
expandir os alvéolos) 
-> Presença de ar, excesso de líquido ou sangue no 
espaço intrapleural: por p. ex produção alveolar 
inadequada de surfactante. 
-> Parede torácica em obesos 
-> Afecções músculo esqueléticas, com menor 
mobilidade da caixa torácica (Ex.cifoescoliose). 
Elãstãnçíã 
•. “É a capacidade de resistir à deformação 
mecânica. A elastância também se refere à 
capacidade que um corpo tem de voltar a sua forma 
original quando a forca que promove a sua 
deformação é removida”. 
•. Oposto da capacitância: capacidade de um 
pulmão resistir ao estiramento, ou de voltar ao seu 
estado de repouso. Permiti o corpo (no caso, 
alvéolos) voltar ao seu estado basal. 
-> Ex: ENFISEMA = perda da parte elástica do pulmão 
(hiperinsuflação -> dificuldade do ar sair -> 
aprisionamento). Fibras de elastina normalmente 
encontradas no tecido pulmonar são destruídas -> 
destruição da elastina resulta em pulmões que 
exibem alta complacência e 
estiram facilmente durante a 
inspiração. Todavia, esses 
pulmões também apresentam 
uma elasticidade diminuída, 
de modo que não retornam à 
sua posição de repouso 
durante a expiração. 
-> Os pacientes com enfisema contraem seus 
músculos expiratórios (expiração ativa) para forçar a 
saída de ar que não está saindo com o recolhimento 
elástico dos pulmões. 
Fãtores que ínfluençíãm o Trãbãlho Respírãtorío 
-> Complacência 
-> Tensão Superficial 
-> Resistência 
Tensão Superfíçíãl 
•. A tensão superficial criada pelo fino filme de 
líquido é direcionada para o centro da bolha e cria 
pressão no interior dela. 
•. Normalmente, nossos pulmões secretam um 
SURFACTANTE que reduz a tensão superficial. Os 
surfactantes são moléculas que rompem as forças 
coesivas entre as moléculas. Nos pulmões, o 
surfactante diminui a tensão superficial do líquido 
alveolar e, assim, diminui a resistência do pulmão ao 
estiramento. 
-> O surfactante diminui o trabalho respiratório 
Complãçençíã - Tensão Superfíçíãl 
•. "Note que as pressões transpleurais, necessárias 
para expandir os pulmões cheios de ar, são cerca 
de três vezes maiores que as necessárias para 
expandir os pulmões cheios de solução salina. Assim, 
pode-se concluir que as forças elásticas teciduais, 
que tendem a provocar o colapso do pulmão cheio 
de ar representam, apenas cerca de um terço da 
elasticidade total pulmonar, enquanto as forças de 
tensão superficial líquido-ar nos alvéolos 
representam cerca de dois terços.” 
Para se expandir o pulmão precisa superar: 
-> Forças elásticas do tecido pulmonar = elastina + 
colágeno (1/3). 
-> Forças elásticas pela tensão superficial (2/3). 
Tensão Superficial e Surfactante 
• Células alveolares do tipo II (Pneumócitos tipo II) 
sintetizam e secretam surfactante no espaço 
alveolar, “agentes ativos de superfície”. 
• Se alinham na superfície alveolar com as porções 
hidrofóbicas atraídas entre si e as porções 
hidrofílicas repelidas. 
Surfactante (relacionada ao raio) reduz a Tensão 
Superficial. 
Lei de Laplace 
P= 2T/r 
SEM SUFACTANTE = COMPLACÊNCIA DIMINUI! 
 
 
 
 
 
 
Fãtores que ãumentãm ã Resístençíã 
DOENÇAS OBSTRUTIVAS 
-> Enfisema: perda da retração elástica pulmonar. 
-> Asma: contração espasmódicas dos m. lisos nos 
bronquíolos. (dificuldade na inspiração e 
principalmente na expiração). 
-> DPOC (Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica): 
tampões de muco e estreitamento dos bronquíolos. 
(dificuldade para passagem de ar -> fluxo reduzido --
-> por diminuição do raio – equação de Poiseuille). 
 
 
-> Neoplasias pulmonares: obstrução de vias aéreas 
centrais. 
BRONCOCONSTRIÇÃO 
•Aumenta a resistência ao fluxo de ar e diminui a 
quantidade de ar “novo” que alcança os alvéolos. 
•Fisiológico: broncoespasmoinduzido por exercício 
(BIE). 
 
Ref: SILVERTHORN, D. U. Fisiologia Humana: 7 Ed – 
São Paulo: Artmed editora ltda, 2017. Unidade 3, 
CAP 17 
GUYTON, Arthur C; Hall, John E. Tratado de 
fisiologia médica. 13a ed. São Paulo: Elsevier, 2017. 
CAP 38 
Aluna: Iasmim Araújo Xavier Fonseca – Medicina 
UNINOVE 
 
Bebês que nascem prematuramente sem 
concentrações adequadas de surfactante em 
seus alvéolos desenvolvem a síndrome da 
angústia respiratória do recém-nascido (SARRN). 
Além do “endurecimento” (baixa complacência) 
dos pulmões, bebês com SARRN também 
possuem alvéolos que colapsam cada vez que 
eles expiram. (F.H)