22.5: Troca de gases
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Ao final desta seção, você poderá:
- Compare a composição do ar atmosférico e do ar alveolar
- Descreva os mecanismos que impulsionam a troca gasosa
- Discuta a importância de ventilação e perfusão suficientes e como o corpo se adapta quando elas são insuficientes
- Discuta o processo de respiração externa
- Descreva o processo de respiração interna
O objetivo do sistema respiratório é realizar trocas gasosas. A ventilação pulmonar fornece ar aos alvéolos para esse processo de troca gasosa. Na membrana respiratória, onde as paredes alveolar e capilar se encontram, os gases se movem pelas membranas, com oxigênio entrando na corrente sanguínea e saindo dióxido de carbono. É por meio desse mecanismo que o sangue é oxigenado e o dióxido de carbono, produto residual da respiração celular, é removido do corpo.
Troca de gás
Para entender os mecanismos de troca gasosa no pulmão, é importante compreender os princípios subjacentes dos gases e seu comportamento. Além da lei de Boyle, várias outras leis sobre gases ajudam a descrever o comportamento dos gases.
Leis do gás e composição do ar
As moléculas de gás exercem força nas superfícies com as quais estão em contato; essa força é chamada de pressão. Em sistemas naturais, os gases normalmente estão presentes como uma mistura de diferentes tipos de moléculas. Por exemplo, a atmosfera consiste em oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono e outras moléculas gasosas, e essa mistura gasosa exerce uma certa pressão chamada pressão atmosférica (Tabela 22.2). Pressão parcial (P x) é a pressão de um único tipo de gás em uma mistura de gases. Por exemplo, na atmosfera, o oxigênio exerce uma pressão parcial e o nitrogênio exerce outra pressão parcial, independente da pressão parcial do oxigênio (Figura 22.21). A pressão total é a soma de todas as pressões parciais de uma mistura gasosa. A lei de Dalton descreve o comportamento dos gases não reativos em uma mistura gasosa e afirma que um tipo específico de gás em uma mistura exerce sua própria pressão; portanto, a pressão total exercida por uma mistura de gases é a soma das pressões parciais dos gases na mistura.
| Gás | Porcentagem da composição total | Pressão parcial (mm Hg) |
|---|---|---|
| Nitrogênio (N 2) | 78,6 | 597,4 |
| Oxigênio (O 2) | 20,9 | 158,8 |
| Água (H 2 O) | 0,4 | 3,0 |
| Dióxido de carbono (CO 2) | 0,04 | 0,3 |
| Outros | 0,06 | 0,5 |
| Composição total/pressão atmosférica total | 100% | 760,0 |
A pressão parcial é extremamente importante para prever o movimento dos gases. Lembre-se de que os gases tendem a igualar sua pressão em duas regiões que estão conectadas. Um gás se moverá de uma área onde sua pressão parcial é maior para uma área onde sua pressão parcial é menor. Além disso, quanto maior a diferença de pressão parcial entre as duas áreas, mais rápida é a movimentação dos gases.
Solubilidade de gases em líquidos
A lei de Henry descreve o comportamento dos gases quando eles entram em contato com um líquido, como o sangue. A lei de Henry afirma que a concentração de gás em um líquido é diretamente proporcional à solubilidade e pressão parcial desse gás. Quanto maior a pressão parcial do gás, maior o número de moléculas de gás que se dissolverão no líquido. A concentração do gás em um líquido também depende da solubilidade do gás no líquido. Por exemplo, embora o nitrogênio esteja presente na atmosfera, muito pouco nitrogênio se dissolve no sangue, porque a solubilidade do nitrogênio no sangue é muito baixa. A exceção ocorre em mergulhadores; a composição do ar comprimido que os mergulhadores respiram faz com que o nitrogênio tenha uma pressão parcial mais alta do que o normal, fazendo com que ele se dissolva no sangue em quantidades maiores do que o normal. O excesso de nitrogênio na corrente sanguínea resulta em uma condição grave que pode ser fatal se não for corrigida. As moléculas de gás estabelecem um equilíbrio entre as moléculas dissolvidas no líquido e as do ar.
A composição do ar na atmosfera e nos alvéolos é diferente. Em ambos os casos, a concentração relativa de gases é nitrogênio > oxigênio > vapor de água > dióxido de carbono. A quantidade de vapor de água presente no ar alveolar é maior do que no ar atmosférico (Tabela 22.3). Lembre-se de que o sistema respiratório funciona para umidificar o ar que entra, fazendo com que o ar presente nos alvéolos tenha uma quantidade maior de vapor de água do que o ar atmosférico. Além disso, o ar alveolar contém uma quantidade maior de dióxido de carbono e menos oxigênio do que o ar atmosférico. Isso não é surpresa, pois a troca gasosa remove o oxigênio e adiciona dióxido de carbono ao ar alveolar. Tanto a respiração profunda quanto a forçada fazem com que a composição do ar alveolar seja alterada mais rapidamente do que durante a respiração silenciosa. Como resultado, as pressões parciais de oxigênio e dióxido de carbono mudam, afetando o processo de difusão que move esses materiais pela membrana. Isso fará com que o oxigênio entre e o dióxido de carbono saia do sangue mais rapidamente.
| Gás | Porcentagem da composição total | Pressão parcial (mm Hg) |
|---|---|---|
| Nitrogênio (N 2) | 74,9 | 569 |
| Oxigênio (O 2) | 13,7 | 104 |
| Água (H 2 O) | 6.2 | 40 |
| Dióxido de carbono (CO 2) | 5.2 | 47 |
| Composição total/pressão alveolar total | 100% | 760,0 |
Ventilação e perfusão
Dois aspectos importantes da troca gasosa no pulmão são a ventilação e a perfusão. A ventilação é o movimento do ar para dentro e para fora dos pulmões, e a perfusão é o fluxo de sangue nos capilares pulmonares. Para que a troca gasosa seja eficiente, os volumes envolvidos na ventilação e perfusão devem ser compatíveis. No entanto, fatores como efeitos da gravidade regional no sangue, ductos alveolares bloqueados ou doenças podem fazer com que a ventilação e a perfusão fiquem desequilibradas.
A pressão parcial de oxigênio no ar alveolar é de cerca de 104 mm Hg, enquanto a pressão parcial do sangue oxigenado nas veias pulmonares é de cerca de 100 mm Hg. Quando a ventilação é suficiente, o oxigênio entra nos alvéolos em alta taxa e a pressão parcial de oxigênio nos alvéolos permanece alta. Em contraste, quando a ventilação é insuficiente, a pressão parcial do oxigênio nos alvéolos diminui. Sem a grande diferença de pressão parcial entre os alvéolos e o sangue, o oxigênio não se difunde eficientemente pela membrana respiratória. O corpo tem mecanismos que combatem esse problema. Nos casos em que a ventilação não é suficiente para um alvéolo, o corpo redireciona o fluxo sanguíneo para os alvéolos que estão recebendo ventilação suficiente. Isso é conseguido através da constrição das arteríolas pulmonares que servem ao alvéolo disfuncional, que redireciona o sangue para outros alvéolos com ventilação suficiente. Ao mesmo tempo, as arteríolas pulmonares que servem alvéolos recebem ventilação suficiente vasodilatada, o que traz maior fluxo sanguíneo. Fatores como dióxido de carbono, oxigênio e pH podem servir como estímulos para ajustar o fluxo sanguíneo nas redes capilares associadas aos alvéolos.
A ventilação é regulada pelo diâmetro das vias aéreas, enquanto a perfusão é regulada pelo diâmetro dos vasos sanguíneos. O diâmetro dos bronquíolos é sensível à pressão parcial do dióxido de carbono nos alvéolos. Uma maior pressão parcial de dióxido de carbono nos alvéolos faz com que os bronquíolos aumentem seu diâmetro, assim como uma diminuição do nível de oxigênio no suprimento sanguíneo, permitindo que o dióxido de carbono seja exalado do corpo em uma taxa maior. Conforme mencionado acima, uma maior pressão parcial de oxigênio nos alvéolos faz com que as arteríolas pulmonares se dilatem, aumentando o fluxo sanguíneo.
Troca de gás
A troca gasosa ocorre em dois locais do corpo: nos pulmões, onde o oxigênio é captado e o dióxido de carbono é liberado na membrana respiratória, e nos tecidos, onde o oxigênio é liberado e o dióxido de carbono é captado. A respiração externa é a troca de gases com o ambiente externo e ocorre nos alvéolos dos pulmões. A respiração interna é a troca de gases com o ambiente interno e ocorre nos tecidos. A troca real de gases ocorre devido à simples difusão. Não é necessária energia para mover oxigênio ou dióxido de carbono pelas membranas. Em vez disso, esses gases seguem gradientes de pressão que permitem que eles se difundam. A anatomia do pulmão maximiza a difusão dos gases: a membrana respiratória é altamente permeável aos gases; as membranas respiratória e capilar sangüínea são muito finas; e há uma grande área de superfície ao longo dos pulmões.
Respiração externa
A artéria pulmonar transporta sangue desoxigenado do coração para os pulmões, onde se ramifica e eventualmente se torna a rede capilar composta por capilares pulmonares. Esses capilares pulmonares criam a membrana respiratória com os alvéolos (Figura 22.22). À medida que o sangue é bombeado por essa rede capilar, ocorrem trocas gasosas. Embora uma pequena quantidade do oxigênio seja capaz de se dissolver diretamente dos alvéolos no plasma, a maior parte do oxigênio é captada pelos eritrócitos (glóbulos vermelhos) e se liga a uma proteína chamada hemoglobina, um processo descrito posteriormente neste capítulo. A hemoglobina oxigenada é vermelha, causando o aparecimento geral de sangue oxigenado vermelho brilhante, que retorna ao coração pelas veias pulmonares. O dióxido de carbono é liberado na direção oposta do oxigênio, do sangue para os alvéolos. Parte do dióxido de carbono é retornado na hemoglobina, mas também pode ser dissolvido no plasma ou está presente como uma forma convertida, também explicada com mais detalhes posteriormente neste capítulo.
A respiração externa ocorre em função das diferenças parciais de pressão no oxigênio e no dióxido de carbono entre os alvéolos e o sangue nos capilares pulmonares.
Embora a solubilidade do oxigênio no sangue não seja alta, há uma diferença drástica na pressão parcial de oxigênio nos alvéolos versus no sangue dos capilares pulmonares. Essa diferença é de cerca de 64 mm Hg: a pressão parcial de oxigênio nos alvéolos é de cerca de 104 mm Hg, enquanto sua pressão parcial no sangue do capilar é de cerca de 40 mm Hg. Essa grande diferença na pressão parcial cria um gradiente de pressão muito forte que faz com que o oxigênio atravesse rapidamente a membrana respiratória dos alvéolos para o sangue.
A pressão parcial do dióxido de carbono também é diferente entre o ar alveolar e o sangue do capilar. No entanto, a diferença de pressão parcial é menor que a do oxigênio, cerca de 5 mm Hg. A pressão parcial do dióxido de carbono no sangue do capilar é de cerca de 45 mm Hg, enquanto sua pressão parcial nos alvéolos é de cerca de 40 mm Hg. No entanto, a solubilidade do dióxido de carbono é muito maior do que a do oxigênio - por um fator de cerca de 20 - tanto no sangue quanto nos fluidos alveolares. Como resultado, as concentrações relativas de oxigênio e dióxido de carbono que se difundem pela membrana respiratória são semelhantes.
Respiração interna
A respiração interna é a troca gasosa que ocorre no nível dos tecidos corporais (Figura 22.23). Semelhante à respiração externa, a respiração interna também ocorre como simples difusão devido a um gradiente parcial de pressão. No entanto, os gradientes parciais de pressão são opostos aos presentes na membrana respiratória. A pressão parcial de oxigênio nos tecidos é baixa, cerca de 40 mm Hg, porque o oxigênio é usado continuamente para a respiração celular. Em contraste, a pressão parcial de oxigênio no sangue é de cerca de 100 mm Hg. Isso cria um gradiente de pressão que faz com que o oxigênio se dissocie da hemoglobina, se difunda para fora do sangue, atravesse o espaço intersticial e entre no tecido. A hemoglobina que tem pouco oxigênio ligado a ela perde muito de seu brilho, de modo que o sangue que retorna ao coração fica mais cor de vinho.
Considerando que a respiração celular produz continuamente dióxido de carbono, a pressão parcial do dióxido de carbono é menor no sangue do que no tecido, fazendo com que o dióxido de carbono se difunda para fora do tecido, atravesse o fluido intersticial e entre no sangue. Em seguida, é transportado de volta para os pulmões, ligado à hemoglobina, dissolvido no plasma ou em uma forma convertida. No momento em que o sangue retorna ao coração, a pressão parcial do oxigênio voltou para cerca de 40 mm Hg e a pressão parcial do dióxido de carbono voltou para cerca de 45 mm Hg. O sangue é então bombeado de volta para os pulmões para ser oxigenado novamente durante a respiração externa.
Conexão diária
Tratamento de câmara hiperbárica
Um tipo de dispositivo usado em algumas áreas da medicina que explora o comportamento dos gases é o tratamento com câmara hiperbárica. Uma câmara hiperbárica é uma unidade que pode ser selada e expor um paciente a 100% de oxigênio com pressão aumentada ou a uma mistura de gases que inclui uma concentração maior de oxigênio do que o ar atmosférico normal, também a uma pressão parcial mais alta do que a atmosfera. Existem dois tipos principais de câmaras: monoplace e multiplace. As câmaras monoplace são normalmente para um paciente, e a equipe que cuida do paciente observa o paciente de fora da câmara (Figura 22.24). Algumas instalações têm câmaras hiperbáricas monolocais especiais que permitem que vários pacientes sejam tratados ao mesmo tempo, geralmente na posição sentada ou reclinada, para ajudar a aliviar a sensação de isolamento ou claustrofobia. As câmaras multilocais são grandes o suficiente para que vários pacientes sejam tratados ao mesmo tempo, e a equipe que atende esses pacientes está presente dentro da câmara. Em uma câmara com vários lugares, os pacientes geralmente são tratados com ar por meio de uma máscara ou capuz, e a câmara é pressurizada.
O tratamento da câmara hiperbárica é baseado no comportamento dos gases. Como você lembra, os gases se movem de uma região de maior pressão parcial para uma região de menor pressão parcial. Em uma câmara hiperbárica, a pressão atmosférica aumenta, fazendo com que uma quantidade maior de oxigênio do que o normal se difunda na corrente sanguínea do paciente. A terapia com câmara hiperbárica é usada para tratar uma variedade de problemas médicos, como cicatrização de feridas e enxertos, infecções bacterianas anaeróbicas e intoxicação por monóxido de carbono. A exposição e o envenenamento pelo monóxido de carbono são difíceis de reverter, porque a afinidade da hemoglobina pelo monóxido de carbono é muito mais forte do que sua afinidade pelo oxigênio, fazendo com que o monóxido de carbono substitua o oxigênio no sangue. A terapia com câmara hiperbárica pode tratar a intoxicação por monóxido de carbono, porque o aumento da pressão atmosférica faz com que mais oxigênio se difunda na corrente sanguínea. Com esse aumento da pressão e aumento da concentração de oxigênio, o monóxido de carbono é deslocado da hemoglobina. Outro exemplo é o tratamento de infecções bacterianas anaeróbicas, que são criadas por bactérias que não podem ou preferem não viver na presença de oxigênio. Um aumento nos níveis de oxigênio no sangue e nos tecidos ajuda a matar as bactérias anaeróbicas responsáveis pela infecção, pois o oxigênio é tóxico para as bactérias anaeróbicas. Para feridas e enxertos, a câmara estimula o processo de cicatrização aumentando a produção de energia necessária para o reparo. O aumento do transporte de oxigênio permite que as células aumentem a respiração celular e, portanto, a produção de ATP, a energia necessária para construir novas estruturas.