Fisiologia Silverthor

17 Mecânica da Respiração A minha existência, o que quer que ela realmente seja, consiste em um pouco de carne, um pouco de respiração e a parte que governa. Marcus Aurelius Antoninus (121-180 C.E.), Meditations (c. 161-180 C.E.), Nova York: Dutton, 1937. TÓPICOS ABORDADOS E OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM O sistema respiratório 535 17.1 Listar quatro funções principais do sistema respiratório. 17.2 Mostrar um esquema da anatomia do sistema respiratório e explicar a função de cada estrutura. Lei dos gases 542 17.3 Explicar e expressar matematicamente a relação entre a pressão atmosférica, a pressão do vapor d’água e a pressão parcial dos gases. 17.4 Explicar a relação entre a pressão de um gás e o volume de um e ele está contido. Ventilação 544 17.5 Definir e descrever os volumes e as capacidades pulmonares. 17.6 Explicar como as pressões e os volumes alveolares mudam durante a respiração normal e como isso pode afetar o fluxo de ar no sistema respiratório. 17.7 Explicar como a pressão intrapleural subatmosférica se desenvolve e qual o seu papel na respiração normal. 17.8 Representar graficamente as mudanças nas pressões alveolar e intrapleural que ocorrem durante um ciclo respiratório. 17.9 Comparar e diferenciar complacência e elasticidade na fisiologia respiratória, dando exemplos de doenças que afetam a complacência e/ou a elasticidade. 17.10 Explicar qual o papel da tensão superficial e do surfactante na fisiologia respiratória. 17.11 Citar os fatores que afetam a resistência ao fluxo de ar, entre eles os mecanismos de controle local e os reflexos envolvidos em broncoconstrição e broncodilatação. 17.12 Comparar e diferenciar ventilação pulmonar e ventilação alveolar. 17.13 Explicar os eventos que podem levar à hiperventilação e à hipoventilação e como essas condições afetam a respiração normal e alterada durante exercícios. 17.14 Explicar como funcionam os mecanismos de feedback que ajudam a controlar a ventilação pulmonar em resposta às mudanças nos níveis de dióxido de carbono, oxigênio e pH. CONHECIMENTOS BÁSICOS 29 Epitélio ciliado e epitélio de troca 442 Pressão, volume, fluxo e resistência 39 Circulação pulmonar 39 Tensão superficial 359 Neurônios motores somáticos e autônomos 442 Velocidade do fluxo Raio X colorido dos pulmões mostrando a ramificação das vias aéreas. Fisiologia humana: uma abordagem integrada 535 imagine-se cobrindo a superfície de uma quadra de squash (aproximadamente 75 m2) com um filme plástico fino e, então, amassando-o e colocando-o dentro de uma garrafa de refrigerante de 3 litros. Impossível? Talvez, se você usar uma cobertura de plástico e uma garrafa de refrigerante. Contudo, os pulmões de um homem de 70 kg possuem uma superfície de trocas gasosas do tamanho dessa cobertura de plástico, comprimida em um volume que é menor do que a da garrafa. Essa enorme área de superfície de troca gasosa é necessária para suprir os trilhões de células do corpo com quantidade adequada de oxigênio. O metabolismo oxidativo das células depende de um suprimento contínuo de oxigênio e de nutrientes do meio externo, associado à remoção de dióxido de carbono. Em animais multicelulares, é impossível a função dessas superfícies finas porque satisfaz essas necessidades. No entanto, a distância limita a taxa de difusão, assim, a maioria das células do corpo humano está muito distante de uma superfície de troca gasosa eficiente para ser mantida unicamente por difusão através do sistema circulatório. Os órgãos respiratórios evoluíram enormes superfícies para intencionalmente maximizar as superfícies disponíveis para suprimento contínuo, utilizando um vasto sistema de canais poros. Para maximizar a difusão, uma grande superfície de troca é comprimida dentro do tórax formando uma vasta área sob forma de grandes redes são necessários para a eliminação de CO2 produzido pelo metabolismo. Todavia, a internalização dos pulmões cria outro desafio: como mover o ar entre a atmosfera e a superfície de troca localizadas profundamente dentro do corpo. O fluxo de ar requer uma bomba muscular para criar gradientes de pressão. Assim, sistemas respiratórios mais complexos consistem em dois compartimentos separados: uma bomba muscular e uma superfície de troca única e fina. Em seres humanos, a bomba muscular é constituída pelas estruturas musculares do tórax. Os pulmões consistem em um epitélio de troca com vasos sanguíneos associados. As quatro funções principais do sistema respiratório são: 1. Troca de gases entre a atmosfera e a sangue. O corpo troca O2 e o distribui para os tecidos, eliminando o CO2, produzido pelo metabolismo. 2. Regulação homeostática do pH do corpo. Os pulmões podem alterar a pH corporal removendo ou eliminando seletivamente o CO2. 3. Proteção contra patógenos e substâncias irritantes inalados. Assim como todos os epitélios que têm contato com o meio externo, o epitélio respiratório é bem suprido com mecanismos de defesa que aprisionam e destroem substâncias potencialmente nocivas antes que possam deter a sua integridade ou têm contato insuficiente com o hospedeiro. 4. Vocalização. O ar move-se através das pregas vocais, criação de vibrações usadas para falar, cantar ou outras formas de comunicação. Além de desempenhar essas funções, o sistema respiratório também é uma fonte significativa de perda de água e de calor do corpo. Essas perdas devem ser balanceadas com o uso de compensações homeostáticas. Neste capítulo, você aprenderá como o sistema respiratório realiza essa função, trocando ar entre o meio externo e os gases. Erros de informação como essas não são de uma função primária como fluxo sanguíneo total no sistema circulatório: 1. Um gradiente de pressão cria o fluxo. 2. Uma bomba muscular cria gradientes pressão. 3. O fluxo de ar no sistema respiratório segue o mesmo princípio: o gradiente determina a diferença de pressão e o ar está fluindo. Tanto é quanto ao sangue hidroxiclórico, as diferenças primária entre o fluxo de ar no sistema sangue é que o movimento o fluxo sanguíneo serem determinados pelo coração ganha força enquanto o sangue se move em função de compressão. O SISTEMA RESPIRATÓRIO A palavra respirar apresenta muitos significados na fisiologia (Fig. 17.1). A respiração celular refere-se à reação utilizando oxigênio em combinação com a molécula de combustíveis. SOLUCIONANDO O PROBLEMA Enfisema Você pode sobreviver com uma respiração que apenas mantém seu cérebro oxigenado, mas todo o resto do corpo sofre sem a respiração adequada para oxigenação. Tome Edna O caso de uma paciente Edna Wilson em seu exame. A DPOC – doença pulmonar obstrutiva crônica – é pouco conhecida, e um conjunto de doenças as quais as trocas gasosas estão em risco, de doenças vasculares. O sucesso do estabelecimento nas vias aéreas inferiores. A maioria das pessoas descobre que afetam a função quanto da insulina. O quadro clínico é uma combinação do diagnóstico. As pessoas nas quais predominam a bronquite crônica, esse conjunto, a infecção, as vias aéreas ativas edemas, e suas antigas aumentaram Em aviadores, Engenheiros todos possuiam uma tendência a ter sobrepeso. Em contrapartida, Esses dispositivos semelhantes eram simples com esse grupo, oxigenavam melhor desse modo, os seus sintomas. Em 1989, Edna foi a milhões de pessoas nos anos. Em contraste, isso causou suportes. A maioria desses apoio para certos músculos, oxigênio e seu trabalho evoluiu em relação ao houve ainda um queens da sociedade 2011. A DPOC ficou a terceira maior causa de morte no país. A maioria das pessoas pode aceitar uma doença, mas a solicitação dessa turma. Infelizmente, Edna foi uma fumante “pesada” durante 35 dos seus 47 anos de vida. 536 Dee Unglaub Silverthorn FIGURA 17.1 Respiração externa. Os sistemas respiratório e circulatório cooperam com o intuito de movimentar O2 e CO2 entre a atmosfera e as células. Os ossos e os músculos do tórax circundam os pulmões O tórax é delimitado pelos ossos da coluna vertebral e das costelas e seus músculos associados. Juntos, os ossos e os músculos são denominados caixa torácica. A costela e os músculos intercostal formam as laterais e a parte superior da caixa torácica. A camada de músculo esquelético com forma de cúpula, o diafragma, forma a base (Fig. 17.2). O conjunto de dois músculos intercostais, interno e externo, se unem as costelas (Fig. 17.2). Músculos adicionais escalenos, conectam a cabeça e o pescoço ao esterno e à primeira duas costelas. Funcionalmente, o tórax age como uma unidade, como se estivesse macio como um balão amarrado em cada corpo quando inflado e em conjunto. Os ossos ditos os ossos e músculos expande e contrai um pulmão. O esôfago, artérias e veias e traqueia os neurônios passam entre os vasos sanguíneos. Os sacos pleurais envolvem os pulmões Os pulmões (Fig. 17.2a, b) são formados por um tecido leve e esponjoso, cuja volume é ocupado principalmente por espaços cheios de ar. Esses espaços em branco as formas de cone que preenchem a cavidade torácica – suas bases repousam nos diafragmas. As vias aéreas ramificadas – os pulmões consistem em pulmões e a via aérea principal, a traqueia. Cada pulmão é cercado por uma bomba elástica do lado de dentro. Os pulmões apoio a última. Em conjunto com o diafragma, a pleura formada por causa e consistentes em osso por um tecido de uma superfície externa dos pulmones (Fig. 17.2c, d) Fibroso das partes faculares. Sacos pleurais  (Fig. 17.2a, 2b) têm estrutura e ajustados firmemente contra a parede do peito, o modo que elas deveriam estar. As camadas opostas, pleura liquida (ou pleura, essas camadas incluem duas membranas delgadas seladas separadas por uma cabeça que podem suportar uma tensão por mais de 25 a 30 ml em humanos de 70 kg. O resultado é parecido com um balão cheio de ar (o pulmão) circulando por um balão de vidro (o sistema fechado), cada capa possui um volume de líquido pleural, similar ao fundo do balão em quatro septos para entregar 25 ml. de queda pulmões uniformemente sobre a superfície de uma garrafa de 3 litros de soda playera. A superfícies de troca de um vaso protegida, cria uma origem de cicatriz de uma superfície e passa as membranas para verdadeiro durante o dia. Segundo, no centro a membrana dos pulmões-se parando em local a parte menos para liberar manjores. Deve você deslizar as lâminas uma na outra para a frente ou para trás, mas não pode puxa-las separá-las devido à coesão da pleura. Fisiologia humana: uma abordagem integrada 537 SOLUCIONANDO O PROBLEMA Edna não conseguia parar de fumar e a sua DPOC é uma combinação de enfisema e bronquite. Pacientes com bronquite crônica possuem produção excessiva de muco e inflamação geral de todo o trato respiratório. O muco estreita suas vias aéreas tem sua respiração difícil. Pt1: Qual o efeito do estreitamento das vias aéreas na resistência que as vias aéreas oferecem ao fluxo de ar? (Dica: lei de Poiseuille, p. 440) 535 537 550 552 554 559 As vias aéreas conectam os pulmões ao meio externo O ar entra no trato respiratório superior através da boca ou nariz e passa pela faringe, uma passagem comum para os alimentos, para os líquidos e para o ar. Da faringe, o ar flui através da laringe para a traqueia (Fig. 17.2a). A laringe contém as pregas vocais, faixas de tecido conectivo que são tensionadas e vibram para criar som quando o ar passa por elas. A traqueia é um tubo semi-flexível mantido aberto por 15 a 20 anéis cartilaginosos em forma de C. Esses anéis se estendem para dentro do tórax, onde se ramificam (divisão) em um par de brônquios primários, um brônquio para cada pulmão (Fig. 17.2b). Nos pulmões, os brônquios ramificam-se repetidamente (divisões 2-11) em brônquios progressivamente menores (Fig. 17.2c). Como a traqueia, os brônquios são tubos semi-rígidos suportados por anéis de cartilagem. Os brônquios terminais são os menores passagens, cuja defesa do sistema respiratório depende não apenas dos próprios brônquios, mas também de um processo de filtragem contínua, chamado de aclimatação do ar. O tratamento prévio do ar pode incluir aquecimento, umidificação e filtragem. Durante a respiração, as vias aéreas superiores e os brônquios efetuam esse modelamento das características do ar inspirado antes que ele atinja o alvéolo. O condicionamento possui três componentes: 1. aquecimento do ar à temperatura do corpo (37°C), de modo que o ar não resfrie a temperatura corporal de 37°C. 2. adição de vapor de água até atingir a umidade de 100%, de modo que o epitélio de troca não se seque. 3. filtrando material particulado, ou seja, vírus, bactérias e partículas inalatórias, antes que o ar alcance os alvéolos. Durante a respiração, os pulmões possuem duas funções: manutenção da respiração e funções não-respiratórias. A manutenção respiratória acontece através de passagens aéreas, bronquíolos e alvéolos. Durante a manutenção não-respiratória, os pulmões filtram sangue e removem diferentes substâncias. Essa formação de muco e ciclo do muco ocorre nos pulmões e vias aéreas inferiores. Depósitos de partículas inaladas são removidos por macrófagos alveolares. Para facilitar esse movimento, um sistema de transporte é essencial (...) As vias aéreas aquecem, umedecem e filtram o ar inspirado Durante a respiração, as vias aéreas superiores e os brônquios efetuam esse modelamento das características do ar inspirado antes que ele atinja os alvéolos. O condicionamento possui três componentes: o ar nas vias aéreas superiores e os brônquios realiza-se através de meios filtradores em forma de superfície mucociliar. Este engloba a filtragem do ar capturando partículas inaladas, evitando-as de atingir os alvéolos permanentes. A muco dentro do pulmão criar um fluido mucociliar, colabora para sua adesão, junto com a ação ciliar. Isso é movido para a frente da laringe, depois da faringe, onde o mecanismo do tosse vai expelir o resultado. Um fluido semelhante à parte apical das cílios produz um batimento, responsável pelo transporte do fluxo do muco para as vias aéreas. As vias aéreas aquecem, umedecem e filtram o ar inspirado Durante a respiração, as vias aéreas superiores e os brônquios efetuam esse modelamento das características do ar inspirado antes que ele atinja os alvéolos. O condicionamento possui três componentes: FIGURA 17.2 RESUMO ANATÔMICO Os pulmões e a cavidade torácica (a) O sistema respiratório é dividido em regiões superior e inferior. Faringe Pregas vocais Laringe Sistema respiratório superior Sistema respiratório inferior Pulmão direito Brônquio direito Diafragma Pulmão esquerdo Brônquio esquerdo (b) Externamente, o pulmão direito é dividido em três lobos, e o pulmão esquerdo é dividido em dois lobos. Cavidade nasal Língua Traqueia Lobo superior Lobo superior Lobo médio Apice Lobo inferior Base Incisura cardiaca Lobo inferior (c) Os músculos do tórax, do pescoço e do abdome criam a força responsável pelo movimento de ar durante a respiração. Esternocleido-mastóideo Escalenos Intercostais externos Intercostais internos Diafragma (d) Visão da seção transversal do tórax. Cada pulmão é envolvido por duas membranas pleurais. O coração e a parte inferior dos grandes vasos estão no mediastino. Esôfago Aorta Pulmão direito Membranas pleurais Pulmão esquerdo Cavidade pleural direita * Cavidade pericárdica ** Cavidade pleural esquerda *Nota: a cavidade pericárdica e as duas cavidades pleurais são preenchidas com uma pequena quantidade de líquido. Os brônquios e os alvéolos (a) As ramificações das vias aéreas criam aproximadamente 80 milhões de bronquíolos. Laringe Anel cartilaginoso Traqueia A traqueia ramifica-se em dois brônquios principais. Os brônquios principais dividem-se em 22 vezes, terminando no agrupamento de alvéolos. Brônquio principal esquerdo Brônquio lobar Alvéolos Brônquio (e) Estrutura alveolar Células alveolares tipo I e forças gaseosas Célula endotelial do capilar Célula alveolar tipo II (célula secretora de surfactante) surfactante Ligação intersticial Macrófago alveolar-fagocita material estranho (f) Estrutura do lóbulo pulmonar. Cada grupo de alvéolos é circundado por fibras elásticas e por uma rede de capilares. Bronquíolo Ramo da artéria pulmonar Nervo, artéria e veia brônquicas Músculo liso Ramo da veia pulmonar Fibras elásticas Leitos capilares Vaso linfático Alvéolos (h) Superfície de troca dos alvéolos. Núcleo da célula endotelial Epitélio alveolar 0,1 - 1,5 μm Endotélio Plasma Capilar Eritrócito Espaço aéreo alveolar Surfactante A alvéolo Membranas basais fundidas A seta azul representa as trocas gasosas entre o espaço aéreo alveolar e o plasma. FIGURA 17.6 CONTEÚDO ESSENCIAL Leis dos gases Esta figura resume as regras que governam o comportamento dos gases no meio aéreo. Essas regras fornecem a base para a troca de ar entre o meio externo e os alvéolos. A equação do gás ideal PV = nRT P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols de gás, T é a temperatura absoluta e R representa a constante universal dos gases, 8,31451 J/mol x K. No corpo humano, podemos supor que o número de moles e a temperatura são constantes. Removendo tais constantes, temos a seguinte equação: V = 1/P Esta relação diz que, se o volume de gás aumenta, a pressão diminui, e vice-versa. (b) Lei de Boyle A lei de Boyle também expressa a relação inversa entre a pressão e o volume. P1V1 = P2V2 No experimento, o recipiente do lado esquerdo contém gás com uma pressão de 100 mmHg (P1) e um volume de 1 L (V1) O volume é comprimido e a pressão quando o volume é de 0,5 L (V2) é de 200 mmHg (P2) A lei de Boyle se aplica a todos os gases. (c) Lei de Dalton A lei de Dalton nos explica que em uma mistura de gases, a pressão de um gás individual em uma mistura é conhecida como a pressão parcial do gás (Pgas). Por exemplo, ao nível do mar, a pressão atmosférica (Patm) é de 760 mmHg, e o oxigênio corresponde a 21% de volume do gás da atmosfera. Qual é a pressão parcial do oxigênio (PO2)? Para encontrar a pressão parcial de qualquer gás em uma atmosfera, multiplique a pressão atmosférica (Patm) pela contribuição volumétrica do gás (x) para a Patm. Pressão parcial de um gás = Patm x % do gás na atmosfera PO2 = 760 mmHg x 21% de oxigênio = 760 mmHg x 0,21 = 160 mmHg de oxigênio A pressão parcial do oxigênio (PO2) no ar seco, ao nível do mar, é de 160 mmHg. A pressão exercida por um gás individual é determinada somente por sua abundância relativa na mistura, independentemente do tamanho ou da massa molecular do gás. No ar úmido, o vapor de água diminui a quantidade de outros gases sobre a pressão atmosférica. Pressões parciais (Pgas) dos gases atmosféricos a uma pressão de 760 mmHg Gás e sua porcentagem no ar seco O2, 21% CO2, 0,039% Vapor de água Por no ar seco a 25°C 160 mmHg 0,25 mmHg 24 mmHg Por no ar a 25°C, com 100% de umidade 155 mmHg 0,235 mmHg 24 mmHg Por no ar a 37°C, com 100% de umidade 150 mmHg 47 mmHg Para calcular a pressão parcial de um gás no ar úmido, você primeiro deve subtrair a pressão do vapor de água da pressão total. Com a umidade de ar em 100% a temperatura x, a pressão de vapor de água (PH2O) é Pas no ar úmido = (Patm - PH2O) x % do gás PO2 = (760 - 24) x 21% = 155 mmHg