Fisiologia Pulmonar: Difusão Gasosa e Ventilação-Perfusão

Resumo de Fisiologia Pulmonar

Após a chegada de ar fresco aos pulmões, ocorre a difusão deste nos alvéolos, onde os gases O₂ e CO₂ se difundem através das paredes alveolares.

Difusão Gasosa: Conceitos Fundamentais

O Que é Difusão?

Difusão: Movimento de moléculas simples, que têm capacidade de movimentar-se umas entre as outras. Aplica-se também a gases dissolvidos nos tecidos do corpo. A energia cinética das moléculas permite esse movimento constante; colidem entre si e mudam de direção constantemente.

Gradiente de Concentração

Gradiente de Concentração: Leva a uma difusão direcionada, em uma única direção.

Pressão Parcial em Misturas Gasosas

Pressão Parcial: Pressão causada pela constante colisão das moléculas de gás nas paredes dos recipientes. A pressão é proporcional à concentração das moléculas de determinado gás. Na fisiologia respiratória, trabalha-se com base em misturas de gases e as pressões desses gases de acordo com a sua concentração no volume total, ou seja, sua pressão parcial. O mesmo ocorre quando gases estão dissolvidos em líquidos e tecidos corporais.

Pressão de Gás Dissolvido: Lei de Henry

Fatores que Determinam a Pressão de um Gás Dissolvido em Líquido: Lei de Henry. Quanto maior o coeficiente de solubilidade, maior a solubilidade do gás.

P = Concentração do Gás Dissolvido / Coeficiente de Solubilidade

O coeficiente de solubilidade depende do comportamento eletroquímico que proporciona atração e repulsão entre moléculas. Quando a atração é maior, maior quantidade de moléculas se dissolve mais facilmente, sem criar pressão excessiva. Por outro lado, para moléculas que são repelidas, poucas dissolvidas são necessárias para gerar pressão excessiva.

Difusão entre Fases Gasosa e Dissolvida (Alvéolos ↔ Sangue)

A pressão gasosa parcial induz a difusão e dissolução: alvéolos → parede alveolar → sangue. A direção efetiva da difusão é dada pela diferença entre as pressões parciais dos gases no ar alveolar e no sangue dissolvido. Gases difundem em ambas as direções, proporcionalmente às suas pressões parciais.

Pressão de Vapor d'Água

Quando ar seco penetra as vias aéreas, a água das superfícies logo evapora e umidifica os gases. A pressão do vapor d'água a 37°C é de 47 mmHg.

Difusão Efetiva

A difusão efetiva é o movimento líquido das moléculas de gás de uma área de alta pressão para uma de baixa pressão. É calculada como a diferença entre o número de moléculas que se movem em cada direção, o que é proporcional à diferença entre as pressões parciais nas duas áreas.

Fatores que Afetam a Velocidade de Difusão

Fatores que afetam a velocidade efetiva de difusão:

• Solubilidade (+)
• Área de secção transversa do líquido (+)
• Distância através da qual o gás deve difundir (-)
• Peso molecular (-)
• Temperatura do líquido (+)

A fórmula da difusão é:

D = (ΔP * A * S) / (d * √PM)

Onde: ΔP = diferença de pressão, A = área, S = solubilidade, d = distância, PM = peso molecular.

Difusão de Gases Através dos Tecidos

Gases com importância fisiológica respiratória são extremamente solúveis em lipídios (membrana celular). A limitação do movimento é a velocidade com a qual se movem nos líquidos dos tecidos.

Umidificação do Ar Inalado

Ao umidificar o ar que entra, este dissolve parte dos gases presentes, como N₂ e CO₂.

Renovação do Ar Alveolar

Capacidade Residual Funcional

Capacidade Residual Funcional (CRF): volume de ar que permanece nos pulmões ao fim da expiração normal (~2300 mL). Cerca de 350 mL de ar fresco chegam a cada respiração. Este processo lento é importante para evitar mudanças bruscas de concentração gasosa no sangue, permitindo estabilidade no controle da respiração e manutenção do pH.

Controle da PO₂ Alveolar

PO₂ Alveolar: Controlada pela velocidade de absorção e velocidade de entrada de O₂ nos pulmões. Valor normal: ~104 mmHg, com ventilação alveolar de ~4,2 L/min.

Controle da PCO₂ Alveolar

PCO₂ Alveolar: É proporcional à excreção de CO₂ e diminui inversamente à ventilação pulmonar alveolar. Valor normal: ~40 mmHg, com ventilação alveolar de ~4,2 L/min.

Composição do Ar Expirado

Ar Expirado: É uma mistura do ar do espaço morto (umidificado) e do ar alveolar. Para análise, coleta-se a última porção do ar expirado vigorosamente.

Difusão de Gases Através da Membrana Respiratória

A Unidade Respiratória

A Unidade Respiratória é composta por: Bronquíolo Respiratório, Ductos Alveolares e Alvéolos. As paredes alveolares são extremamente finas e vascularizadas por uma rede capilar interconectada, formando um 'lençol' de sangue fluído. A difusão ocorre na membrana respiratória (ou membrana pulmonar).

Camadas da Membrana Respiratória

Camadas da Membrana Respiratória (do Alvéolo para o Capilar):

1. Luz alveolar
2. Líquido surfactante
3. Epitélio alveolar
4. Membrana basal (alveolar)
5. Espaço intersticial
6. Membrana basal (capilar)
7. Endotélio capilar
8. Luz Capilar

Área total: ~70 m². Volume de sangue nos capilares: ~60-140 mL. O eritrócito e o endotélio capilar frequentemente se tocam, facilitando a difusão.

Fatores que Afetam a Velocidade de Difusão na Membrana

Fatores que afetam a velocidade da difusão gasosa através da membrana:

• Espessura da membrana: Acúmulo de líquido ou patologia fibrosa reduz a velocidade.
• Área superficial da membrana: Condições como enfisema ou colabamento reduzem a área. Uma redução de ¼ a ⅓ da área total causa redução significativa da velocidade de difusão.
• Coeficiente de solubilidade do gás na membrana: O peso molecular influencia a solubilidade e, portanto, a difusão.
• Diferença de pressão parcial entre os meios difusíveis: Entre as pressões parciais alveolares e sanguíneas. Quanto maior a diferença, maior a velocidade de difusão para o lado de menor pressão parcial.

Capacidade de Difusão da Membrana

Capacidade de Difusão da Membrana (DL). Definição: Volume de gás que se difunde através da membrana a cada minuto para uma diferença de pressão de 1 mmHg. Todos os fatores anteriores afetam a DL.

• Capacidade para O₂ (DLCO₂): Em homem jovem, ~21 mL/min/mmHg. Em repouso, a diferença de pressão PO₂ (alvéolo ↔ sangue) é ~11 mmHg. Logo, a difusão de O₂ é ~21 * 11 = 231 mL/min, o que corresponde ao consumo de O₂ do corpo em repouso.
• Capacidade para O₂ no Exercício: Valor máximo pode chegar a ~65 mL/min/mmHg, ~3 vezes maior que em repouso. Este aumento se deve à abertura de capilares alveolares que estavam fechados ou à dilatação dos já abertos, aumentando a superfície de difusão sanguínea. Há também uma melhor equivalência entre ventilação alveolar e perfusão sanguínea (relação ventilação-perfusão). O aumento da capacidade de difusão da membrana contribui para o aumento da oxigenação durante o exercício vigoroso.
• Capacidade para CO₂ (DLCO₂): A solubilidade do CO₂ é ~20 vezes maior que a do O₂, tornando sua difusão muito rápida e difícil de mensurar diretamente. A diferença média de pressão parcial de CO₂ (PCO₂) entre os alvéolos e o sangue é de apenas ~1 mmHg. Estima-se que a DLCO₂ em repouso seja de ~400-450 mL/min/mmHg e em exercício, ~1200-1300 mL/min/mmHg.

Medida da Capacidade de Difusão (Método CO)

Medida da Capacidade de Difusão: Método do Monóxido de Carbono (CO). Este método indireto avalia a DLCO₂ com base na captação de CO pelo sangue, que é limitada pela difusão, e correlaciona-se com a DLCO₂.

Relação Ventilação-Perfusão (RVP)

Efeito da Relação Ventilação-Perfusão (RVP) nas Concentrações dos Gases Alveolares

Relação Ventilação-Perfusão (RVP): Conceito quantitativo para compreender as trocas gasosas quando há desequilíbrio entre a ventilação alveolar (Va) e o fluxo sanguíneo alveolar (Q). Desequilíbrio ocorre quando um alvéolo recebe ventilação, mas não perfusão, ou vice-versa.

Quantitativamente, a RVP é expressa como a razão entre a ventilação alveolar (Va) e o fluxo sanguíneo (Q): Va/Q.

RVP Normal, Nula e Infinita

Quando Va e Q são normais, a RVP é normal. Quando há redução significativa ou ausência de uma das variáveis, a RVP é anormal: nula (Va=0) ou infinita (Q tende a zero). Em áreas com RVP nula ou infinita, não há trocas gasosas eficazes pela membrana respiratória.

• Va/Q = 0 (Ausência de Ventilação): Ocorre em alvéolos não ventilados. O ar estático no alvéolo entra em equilíbrio com o O₂ e CO₂ do sangue venoso que chega, resultando em pressões alveolares semelhantes às do sangue venoso (PO₂ baixa, PCO₂ alta).
• Va/Q = Infinito (Ausência de Perfusão): Ocorre em alvéolos não perfundidos. O ar alveolar fica em equilíbrio com o ar inspirado umidificado. O ar inspirado não perde O₂ nem ganha CO₂. As pressões parciais alveolares permanecem as mesmas do ar inspirado umidificado: PO₂ ≈ 149 mmHg e PCO₂ ≈ 0 mmHg.
• Va/Q = Normal: Ocorre a difusão bidirecional de gases entre o alvéolo e o sangue. As pressões parciais dos gases alveolares resultam de um equilíbrio entre a ventilação (que traz ar inspirado) e a perfusão (que traz sangue venoso). PO₂ alveolar normal: ~104 mmHg (equilíbrio entre ~149 mmHg do ar inspirado e ~40 mmHg do sangue venoso). PCO₂ alveolar normal: ~40 mmHg (equilíbrio entre ~0 mmHg do ar inspirado e ~45 mmHg do sangue venoso).

Shunt Fisiológico (Va/Q Abaixo do Normal)

Shunt Fisiológico (Va/Q Abaixo do Normal). Ocorre quando a ventilação é inadequada para a perfusão. Uma parcela do sangue venoso não é adequadamente oxigenada. Esta fração de sangue não oxigenado é denominada SHUNT (sangue desviado). O shunt fisiológico inclui o sangue que passa por áreas de baixa RVP e o sangue que irriga os brônquios (cerca de 2% do débito cardíaco) e retorna diretamente para o lado esquerdo do coração sem passar pelos capilares pulmonares. A quantidade total de sangue desviado por minuto é o shunt fisiológico.

Espaço Morto Fisiológico (Va/Q Acima do Normal)

Espaço Morto Fisiológico (Va/Q Acima do Normal). Ocorre quando há ventilação, mas a perfusão sanguínea é insuficiente para absorver todo o O₂ disponível. O₂ é 'desperdiçado' nestas áreas. O espaço morto fisiológico inclui o espaço morto anatômico (vias aéreas condutoras) e as áreas alveolares com RVP muito alta (ventilação sem perfusão).

RVP Anormal em Ápices e Bases Pulmonares

RVP Anormal em Ápices e Bases Pulmonares (em Pessoas Normais em Posição Ortostática). Devido à gravidade, o fluxo sanguíneo é menor nos ápices pulmonares, levando a uma RVP mais alta (tendendo a espaço morto fisiológico). Nas bases, a ventilação é relativamente menor que a perfusão, levando a uma RVP mais baixa (tendendo a shunt fisiológico). Ambas as variações diminuem a eficiência global das trocas gasosas.

Influência da DPOC na RVP

A Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC) frequentemente causa RVP anormal (desequilíbrio Va/Q).