1. Introdução

Os animais precisam de oxigênio para manutenção dos processos

metabólicos que lhes garantem a vida. Esse gás é retirado da atmosfera ou de

líquidos nos quais está dissolvido. Por outro lado, as reações bioquímicas que

se passam nos diversos compartimentos dos animais, resulta uma constante

produção de gás carbônico, cuja eliminação é necessária para o equilíbrio do

meio interno. Os animais mais evoluídos desenvolveram órgãos especiais- os

pulmões- a fim de promover a troca entre o oxigênio e o gás carbônico.

Outros animais, como por exemplo, os insetos apresentam um sistema mais

simples de tubos respiratórios e os peixes, brânquias.

Esquema geral do sistema respiratório

Este sistema é constituído de dois compartimentos, um aéreo e um líquido

e três paredes, duas que individualiza cada um dos compartimentos e uma

terceira que separa todo sistema do exterior e do resto do organismo.

O espaço aéreo é constituído pela luz das vias aéreas e o compartimento

líquido é constituído pelas cavidades pleurais. As vias aéreas são constituídas

pela traquéia que se bifurca nos brônquios que posteriormente se ramificam

em bronquíolos, ductos alveolares e finalmente em alvéolos. A membrana dos

alvéolos sofre invaginações, e isto facilita a troca gasosa nessas estruturas.

Uma das paredes, a parede pulmonar, separa o compartimento alveolar

do pleural, e é formada pelos diversos tecidos dos pulmões e pelas vísceras

das pleuras. Esta intrincada estrutura contém o sistema circulatório

pulmonar. A parede pulmonar é elástica e tende a se retrair e expulsar o ar contido no compartimento alveolar.Outra parede delimita as vias aéreas e a

terceira é a parede torácica, nome com o qual se designa o conjunto de

estruturas que intervem na sua constituição (pele, tecido celular subcutâneo,

arcos costais, esterno, clavículas, coluna dorsal, ligamentos, músculos, pleura

parietal, vasos e nervos). É uma estrutura elástica que, em combinação com

os movimentos do diafragma, promove as variações de volume da cavidade

do tórax. Esta parede separa a cavidade pleural do exterior.

2. A mecânica da respiração

Expansão pulmonar e pressão pleural

Os pulmões permanecem expandidos por causa da pressão pleural que,

durante as pausas compreendidas entre a expiração e a inspiração é de –2 cm

H2O a –5 cm H2O. As forças do espaço pleural equilibram as forças elásticas

intrapulmonares que tendem a promover o colapso do órgão. Assim, durante

as pausas respiratórias, a pressão intra-alveolar (ou intrapulmonar) é igual à

pressão atmosférica. Não havendo gradiente de pressão, o fluxo de ar nas vias

aéreas é, nesses instantes, nulo.

Na inspiração, o volume da cavidade torácica aumenta, reduzindo a

pressão pleural, que passa a variar entre - 4 cm H2O e –8 cm H2O. O aumento

da pressão negativa no espaço pleural reduz a pressão alveolar e promove,

assim, a entrada de ar pelas vias aéreas, enchendo os pulmões. Em situações

de exercício ou de doença obstrutivas, a pressão pleural pode alcançar valores

muito negativos, podendo chegar a –135 cm H2O.

Na expiração, a compressão exercida pela parede torácica e pelos

músculos do abdômen eleva a pressão pleural para valores menos negativos (-

2 a –4 cm H2O) ou para valores ligeiramente positivos, quando a expiração é

forçada.

Os músculos expiratórios abdominais são ativados quando a resistência ao

fluxo está aumentada ou quando a ventilação pulmonar ultrapassa 400 ml /

min. Eles também se manifestam na tosse, no espirro e no vomito. Durante a

expiração, o aumento da pressão pleural favorece as forças de colapso

pulmonar. O aumento da pressão pleural produz um aumento da pressão

intra-alveolar, fazendo com que o ar dos pulmões seja expulso. Freqüência respiratória

A respiração é um processo rítmico. A freqüência dos ciclos

respiratórios, no entanto, varia com a idade, com o exercício e se altera em

alguns estados patológicos. Entre 0 e 1 ano de idade um indivíduo tem uma

freqüência respiratória de 44 ciclos / min., entre 15 e 20 tem uma freqüência

de 20 ciclos / min e entre 30 e 50 anos 18 ciclos / min.

Volumes pulmonares

O volume de ar nos pulmões na posição expiratória terminal normal de

repouso é denominado capacidade residual funcional (CRF).

O volume de ar que é inalado durante a inspiração e que deixa os pulmões

durante a expiração é o volume corrente (VC). O volume máximo de ar que

pode entrar nos pulmões a partir da capacidade residual funcional é

denominado capacidade inspiratória (CI). A capacidade inspiratória é

formada pelo volume corrente mais o volume de reserva inspiratório (VRI).

O volume de ar contido nos pulmões no final de uma inspiração máxima é a

capacidade pulmonar total (CPT).

O volume máximo de ar que pode ser eliminado, com esforço, a partir da

capacidade residual funcional (isto é, após o término de uma expiração

passiva) é o volume de reserva expiratório (VRE). O volume de ar que

permanece nos pulmões após um esforço expiratório desse tipo é o volume

residual (VR).

A capacidade vital (CV) é o volume máximo de ar que pode ser eliminado

após uma inspiração máxima; representa a diferença entre a capacidade

pulmonar total e o volume residual.

Propriedades elásticas do pulmão: relações volume-pressão

As relações volume – pressão descrevem as propriedades elásticas do

pulmão. Na prática, as medidas das relações volume-pressão em seres

humanos são feitas em condições estáticas, quando o fluxo aéreo é

temporariamente interrompido em volumes pulmonares sucessivos, durante a

seqüência da expiração, a partir da capacidade pulmonar total. Para cada

volume pulmonar, é determinada a pressão transpulmonar, pela diferença

entre a pressão alveolar e a pleural. A pressão pleural é determinada indiretamente medido-se a pressão no esôfago ( pressão pleural). Quando

cessa o fluxo aéreo ao longo da árvore traqueobrônquica, a pressão alveolar

iguala a pressão ao nível da boca , pois não ocorrem perdas resistivas de

pressão.

A elasticidade do pulmão pode ser medida pela complacência pulmonar, ou

seja a capacidade que os corpos ocos elásticos possuem de aumentar de

volume quando submetidos a uma determinada pressão. Essa grandeza varia

inversamente com a constante elástica do corpo, de modo que, quanto maior

for a sua constante menor será a complacência do sistema.

Formalmente, a complacência pulmonar é definida como o quociente entre a

variação de volume pulmonar ( Vpulmonar) e a pressão

transpulmonar(Ptranspulmonar), ou seja:

C = Vpulmonar /Ptranspulmonar

Por exemplo, se um aumento de pressão de 2 cm H2O produz uma elevação

de volume de 350 cm

3

a complacência do sistema é C = 0,350 l / 2 cm H2O =

0,175 l / cm H2O.

A complacência pulmonar é máxima para volumes pulmonares baixos,

porém diminui progressivamente ao se aproximar da capacidade pulmonar

total. A complacência pode ser determinada pela sua derivada em cada ponto

da curva, ou seja pela inclinação do gráfico em cada ponto da curva. Esta

diminuição da complacência indica que se faz necessária maiores elevações de

pressões para produzir uma determinada mudança de volume.

Uma outra grandeza bastante importante para caracterizar a elasticidade do

pulmão é a distensibilidade (Ds), que é definido pela razão entre a

complacência e a capacidade funcional residual (CFR), ou seja Ds = C / CFR.

Um adulto tem uma complacência em torno de 165 ml / cm H2 O enquanto

um lactante tem somente cerca de 5,5 ml / cm H2 O . Isto, contudo não quer

dizer que o adulto tem um pulmão mais elástico que o lactante, por que

enquanto o CFR do adulto é 3450 ml a do lactante é somente 80 ml. Desta

forma, a distensibilidade (Ds) do pulmão do adulto é 0,048 (cm H2 O)

-1

enquanto do lactante é 0,069 (cm H2 O)

-1

, ou seja o pulmão do lactante é mais

distensível que o do adulto. As propriedades elásticas dos pulmões dependem das características físicas

dos tecidos pulmonares e da tensão superficial da película que reveste as

paredes alveolares. A elasticidade do tecido pulmonar tem origem nas fibras

de elastina e de colágeno, nas paredes alveolares, nos bronquíolos e nos

capilares pulmonares. Enquanto as fibras de elastina podem ser distendidas

até aproximadamente o dobro do seu comprimento de repouso, as fibras de

colágeno resistem ao estiramento e agem sobretudo no sentido de limitar

qualquer expansão adicional nos volumes pulmonares elevados. Os pulmões

se expandem durante a respiração por desdobramento e rearranjo

geométrico das fibras nas paredes alveolares. Esse processo é análogo ao

modo como é estirada uma meia de náilon, sem grande mudança no

comprimento de cada fibra. Mudanças na disposição e nas propriedades

físico-químicas das fibras de elastina e de colágeno nos pulmões são

responsáveis pela maior distensibilidade dos pulmões com o passar dos anos.

Os processos patológicos também podem alterar a distensibilidade pulmonar.

O enfisema, caracterizado por degradação do arcabouço de elastina e

colágeno, bem como por destruição das paredes alveolares, faz aumentar

acentuadamente a distensibilidade dos pulmões. Para qualquer volume

pulmonar, a retração elástica do pulmão, determinada a partir da pressão

transpulmonar, é subnormal e, assim sendo, qualquer alteração da pressão

transpulmonar produz grande alteração no volume pulmonar. Inversamente ,

a fibrose pulmonar, que consiste em aumento dos tecidos intersticiais do

pulmão, produz enrijecimento do pulmão. Para qualquer volume pulmonar,

a retração elástica é maior que a do pulmão normal. Assim sendo,

determinada mudança da pressão transpulmonar produz alteração menor

que a normal no volume pulmonar.

Na secção anterior foi mostrada a contribuição das forças decorrentes das

características física-químicas dos tecidos pulmonares nas propriedades

elásticas dos pulmöes. Nesta secção será a analisada a contribuição das forças

superficiais, que agem na interface ar – surfactante (película líquida que

reveste o interior das paredes dos alvéolos) na elasticidade dos pulmões.

O surfactante é um material produzido por uma célula epitelial especializada

da parede alveolar (pneumócito granular tipo II). O surfactante consiste em

dipalmitoil lecitina (fosfolipídio com propriedade detergente) conjugado a uma proteína. O surfactante possui inúmeras características importantes.

Primeiro, a tensão superficial do surfactante é muito baixa. Isso minimiza as

forças superficiais. Segundo, quando a área superficial da película é reduzida,

a tensão superficial diminui ainda mais. Isso é importante para manter a

estabilidade dos alvéolos e prevenir seu colapso. Os alvéolos são estruturas

essencialmente esféricas e, assim sendo, comportam-se segundo a equação de

Laplace para uma esfera com paredes finas, ou seja P = T / r, onde P é a

pressão dentro do alvéolo, T a tensão superficial e r o raio do alvéolo. Se a

tensão superficial fosse a mesma em todos os alvéolos, a pressão nos alvéolos

pequenos seria, pela equação de Laplace, maior que a pressão nos grandes

alvéolos. Portanto, os alvéolos menores se esvaziariam para os alvéolos

maiores e se colapsariam. Isto não ocorre porque a tensão superficial do

surfactante diminui quando os alvéolos se contraem, de maneira que as

pressões nos alvéolos grandes e pequenos ficam praticamente iguais, evitando

o colapso dos alvéolos pequenos.

Quando a área superficial de uma película de surfactante é pequena, as suas

moléculas se rearranjam de maneira que tensão superficial aumenta com o

passar do tempo. Assim sendo, os espaços aéreos periféricos tendem ao

colapso e a complacência pulmonar tende a diminuir durante períodos

prolongados de respiração superficial (basal). Uma única incursão

respiratória profunda ou um suspiro reabre os alvéolos e expande a

superfície, reduzindo assim, a tensão superficial e restaurando as

propriedades elásticas do pulmão.

Os pneumócitos granulares tipo II aparecem pela primeira vez no epitélio

alveolar do pulmão fetal por volta de 21 semanas de gestação e começam a

produzir surfactante entre 28 e 32 semanas de gestação. Os fosfolipídios,

incluindo lecitina, que compõem o surfactante passam para o líquido

amniótico. Após cerca de 35 semanas de gestação, a concentração de lecitina

no líquido amniótico começa a aumentar.

Se a produção de surfactante demora a começar ou nasce um prematuro,

antes de terem sido sintetizadas quantidades adequadas de surfactante, o

lactante estará propenso a desenvolver a síndrome de angústia respiratória

do recém-nato. Nessa condição, os alvéolos são muitos instáveis e o pulmão é

menos complacente. 3. Fluxo aéreo

A movimentação de ar nos tubos respiratórios obedece à equação de

Poiseuille. Assim, o fluxo gasoso pode ser calculado pela seguinte

expressão:

= P.r

4

/ 8 l,

- é o fluxo em unidades de volume / tempo

P- é a diferença de pressão entre as extremidades do tubo

r- é o raio do tubo

- é a viscosidade do fluido

l- é o comprimento do tubo.

Pela equação se observa que os elevados gradientes de pressão (P) e a

largura do tubo (r) favorecem o desenvolvimento de grandes fluxos (). Por

outro lado, os tubos longos(l) e os fluidos de alta viscosidade () oferecem

grande resistência e dificultam a movimentação do ar.

Sabendo-se que = P / R, onde R é a resistência oferecida ao movimento do

fluido, é fácil concluir-se que:

R = 8 l /.r

4

.

O raio tem maior influência que os outros parâmetros na resistência ao fluxo

aéreo, pois a resistência depende da quarta potência dessa variável.

Reduzindo-se o raio a metade a resistência ao fluxo aumenta 16 vezes.

Os fluidos se movem espontaneamente da região de maior pressão para

região de menor pressão. Assim, durante a inspiração, fase em que se enchem

os pulmões, a pressão do meio que envolve o indivíduo é maior do que a

pressão alveolar. Quando a pressão nos alvéolos se torna maior do que a

pressão externa, o ar é expulso através da árvore respiratória. Uma pressão é

negativa quando tem um valor menor que a pressão atmosférica, caso

contrário, é positiva. A pressão alveolar varia entre valores negativos na

inspiração e positivos na expiração. Quando um indivíduo respira contra

uma pressão maior do que a do ambiente que o contém, ele executa uma

respiração contra pressão positiva. Esse tipo de respiração ocorre em

determinadas patologias pulmonares (enfisema, pulmão de choque, etc.) para manter elevada a pressão no interior das vias aéreas. Com isso, os tubos

aéreos são mantidos abertos, facilitando a ventilação dos alvéolos.

Tipos de escoamentos

O escoamento de fluidos no interior de tubos pode ocorrer sob as formas

laminar, turbulenta e mista.

No escoamento laminar, o fluido se move em camadas. A mais superficial,

aquela que está em contato com a parede do tubo, possui velocidade muito

pequena. A velocidade das demais camadas cresce da periferia para o centro

da veia fluida. No escoamento turbulento, o fluido desenvolve redemoinhos e

não há organização mecânica no movimento do fluido. Esse tipo de regime

oferece alta resistência ao fluxo, exigindo um elevado consumo de energia

para promover a movimentação do fluido. Durante a respiração tranqüila, o

ar nas vias aéreas longas e estreitas se movimenta laminarmente. Nos estados

em que há dispnéia, o escoamento tende a ser turbulento, gerando vibrações

sonoras que podem ser percebidas na ausculta do paciente.

Reynolds estudou o movimento de fluidos em tubos e concluiu que a

tendência ao fluxo turbulento poderia ser prevista. Reynolds determinou um

parâmetro denominado, atualmente, Número de Reynolds (N) que pode

quantificar esta possibilidade de turbulência. Este parâmetro N é dado pela

seguinte expressão:

N = vd / .

Onde : v é a velocidade média do fluido, d é o diâmetro do tubo, é a

densidade do fluido e é a viscosidade cinemática do fluido.

Reynolds encontrou que, quando N era maoir do que 2000 (unidades do

sistema CGS), o fluxo seria turbulento ou estaria na iminência de se tornar

turbulento.

Várias forças estão envolvidas no escoamento do ar pelas vias aéreas, são elas

: forças elásticas da parede torácica e dos pulmões; resistência viscosa do ar;

resistência promovida pela turbulência; resistência oferecida durante a

alteração de volume e forma dos órgãos/ forças de atrito; forças necessárias

para vencer a inércia dos sistemas móveis.

Bernoulli demonstrou que existe uma relação inversa entre a velocidade (v)

do fluxo aéreo e a pressão (P) que o fluido exerce sobre a parede interna da tubulação que o contém. Esse conhecimento se torna particularmente

importante para entender a dificuldade respiratória em brônquios estreitados

e de paredes flácidas, tal como acontece no enfisema pulmonar. Nessa doença,

as paredes bronquiolares não resistem a pressão de colapso, provocada pelo

fluxo de alta velocidade, e pela a luz do tubo aéreo que está

estreitada, colaborando para o aumento do esforço respiratório e para a produção

de sibilos.

Espirograma

O espirograma é o registro temporal do volume de ar expirado (Figura 7,

14.9 Garcia) . Nesse tipo de medida, o coeficiente angular da curva determina

a cada ponto a velocidade do fluxo.

Alguns parâmetros são importantes nessa curva do volume versus tempo, são

eles: o volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF1); velocidade

máxima do fluxo expiratório (FEFMax); velocidade máxima do fluxo

expiratório forçado médio (FEF25%-75%), que é medido pela inclinação da reta

que liga os pontos correspondentes a 25% e 75% do volume total expirado.

Um outro registro importante é o plano de fase do volume expirado. Para se

obter um plano de fase de uma variável qualquer, registra-se a primeira

derivada temporal da variável contra os valores que essa variável possui em

cada instante. No caso da função pulmonar, o registro é feito colocando-se na

ordenada o fluxo espirado, que é a primeira derivada do volume em relação

ao tempo, e na abscissa, os correspondentes valores do volume expirado. A

esse tipo de registro se chama de alça fluxo-volume. Muitas doenças do

aparelho respiratório( por ex. asma), mostram espirometria e alças fluxovolume anormais.

A manutenção da concentração hidrogeniônica nos fluidos celulares em

valores próximos de 10

-7 M é fundamental para o funcionamento adequado

dos vários processos bioquímicos que ocorrem nas diferentes células dos

diversos tecidos animais. Assim a regulação do equilíbrio ácido básico

depende, além dos tampões do sangue, dos sistemas respiratório e renal. Os

pulmões, atuam sobre o ácido volátil (C2 O) através da troca gasosa do

oxigênio pelo ácido carbônico nos alvéolos, enquanto os rins atuam na

excreção de ácidos fixos. Obviamente, outros sistemas fisiológicos como o

neural e o circulatório também jogam importante papel nessa regulação. Como os sistemas sanguíneo, neural, circulatório e respiratório já foram

tratados anteriormente, será enfocado agora somente o sistema renal.