Trocas Gasosas

Uma vez que as células humanas dependem principalmente do metabolismo aeróbico, é de vital importância obter eficientemente oxigénio do ambiente e trazê-lo para os tecidos enquanto se excreta o subproduto da respiração celular (CO2). A respiração envolve os sistemas respiratório e circulatório. Existem 4 processos que fornecem O2 ao corpo e eliminam o CO2. O sistema respiratório está envolvido na ventilação pulmonar e na respiração externa, enquanto o sistema circulatório é responsável pelo transporte e respiração interna. A ventilação pulmonar (respiração) representa o movimento do ar para dentro e para fora dos pulmões. A respiração externa, ou trocas gasosas, é representada pela troca de O2 e CO2 entre os pulmões e o sangue.

Última atualização: 19 Jun, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Anatomia do Sistema Respiratório Envolvido nas Trocas Gasosas

As trocas gasosas ocorrem ao nível dos alvéolos nos pulmões e nos capilares da circulação pulmonar.

  • Unidade respiratória:
    • Menor unidade funcional nos pulmões
    • Composto por um bronquíolo respiratório, ductos alveolares, átrios e alvéolos.
  • Leitos vasculares:
    • Os capilares preenchem o espaço entre os alvéolos.
    • Muito pouca distância entre o sangue nos capilares e o ar nos alvéolos
  • Membrana pulmonar:
    • Área de interface entre os capilares e os alvéolos
    • Média de 0,6 micrómetros de espessura
    • Camadas da membrana pulmonar (dentro dos alvéolos → capilares):
      • Revestimento de camada fluida dentro do alvéolo (contém surfactante para quebrar a tensão superficial)
      • Epitélio alveolar
      • Membrana basal epitelial
      • Interstício
      • Membrana basal capilar
      • Membrana endotelial capilar
Schematic diagram of the structure of the respiratory zone of the lower respiratory tract

Diagrama esquemático da estrutura da zona respiratória do trato respiratório inferior:
Observar a composição da parede alveolar:
1) Bronquíolo respiratório
2) Septo interalveolar primário
3) Saco alveolar
4) Capilares
5) Pneumócito tipo II
6) Pneumócito tipo I
7) Ducto alveolar

Imagem por Lecturio.

Física das Trocas Gasosas

Propriedades físicas dos gases

Durante as trocas gasosas, O₂ e CO₂ devem atravessar a membrana pulmonar. Este processo é impulsionado por múltiplas forças complexas determinadas pelas propriedades físicas desses gases.

  • Concentração : O₂ e CO₂ fluirão das áreas de alta concentração para as de baixa concentração.
  • Diferença na pressão parcial do gás no ar nos alvéolos e do gás dissolvido no sangue:
    • Pressão parcial do gás nos alvéolos:
      • A pressão do ar num recipiente fixo é proporcional à concentração de moléculas de ar forçadas para dentro desse recipiente.
      • O ar atmosférico é composto por O₂, nitrogénio e dióxido de carbono. A taxa de difusão de cada gás é proporcional à pressão exercida por esse gás sozinho, chamada de pressão parcial.
      • Exemplo: O ar atmosférico tem 760 mmHg e é 21% O₂. A pressão parcial de O₂ (PO₂) nos alvéolos é 760 x 0,21 = 160 mmHg.
    • Pressão parcial do gás dissolvido no sangue:
      • O gás dissolvido no líquido exerce pressão parcial determinada tanto pela sua concentração quanto por uma constante conhecida como coeficiente de solubilidade.
      • Exemplo: pressão parcial de O₂ dissolvido no sangue = concentração O₂/coeficiente de solubilidade de O₂ = 0,025 mmHg
    • O gás flui de áreas de alta pressão parcial para áreas de baixa pressão parcial.

Forças que impulsionam a taxa de troca de O₂ e CO₂

A taxa de troca gasosa é determinada pela eficiência da troca através da membrana pulmonar e pela velocidade com que ela pode ser trazida do ar (para O₂) ou do corpo (para CO₂).

  • O₂:
    • A difusão de O₂ no sangue dos alvéolos é extremamente eficiente.
    • Mesmo ↑ a velocidade na qual o O₂ é levado aos alvéolos (ventilação) não pode melhorar a difusão do O₂ através da membrana pulmonar
    • O único fator que pode afetar a difusão é a modificação da pressão parcial de O₂ no ar respirado (por exemplo, respirar O₂ puro ou respirar em altitudes elevadas).
  • CO₂:
    • A difusão é mais lenta.
    • A velocidade de ventilação é diretamente proporcional à velocidade de difusão através da membrana pulmonar e da remoção do corpo.
  • Correlação clínica:
    • A saturação de O₂ do sangue é determinada pela pressão parcial de O₂ respirada pelo paciente.
    • A saturação de CO₂ do sangue é determinada pela velocidade da ventilação (respiração).

Transporte de Gás

O₂ e CO₂ devem ser transportados pela corrente sanguínea para alcançar os locais de troca gasosa.

Transporte de O₂

  • Há:
    • 0,295 mL de O₂ por dL de sangue arterial
    • 0,124 mL de O₂ por dL de sangue venoso
  • 1,5% de O₂: dissolvido no plasma.
  • 98,5% de O₂: fracamente ligado a cada átomo de ferro da Hb nas hemácias.
  • Hb:
    • Possui 4 sítios de ligação para O
    • Afinidade da Hb para O₂ ↑ com a quantidade de O ligada a ela
  • Saturação de O :
    • Percentagem de Hb ligada a O₂:
      • No sangue arterial, a Hb tem uma saturação de O₂ próxima de 99%.
      • No sangue venoso, a Hb tem uma saturação de O₂ à volta de 75%.
      • Permite que a reserva de O₂ seja preservada no sangue
  • Carga e descarga de Hb:
    • A carga e descarga de O₂ são facilitadas por mudanças na forma da Hb.
      • À medida que o O₂ se liga, a afinidade da Hb pelo O₂ ↑
      • À medida que o O₂ é libertado, a afinidade da Hb pelo O₂ ↓
    • A taxa de carga e descarga de O₂ é regulada por:
      • PO₂ (↓ dos níveis de O₂ permitem que o O₂ se dissocie da Hb mais facilmente)
      • ↑ da temperatura ↓ a afinidade da Hb para o O₂
      • ↓ pH sanguíneo ↓ a afinidade da Hb para o O₂
      • ↑ PCO₂ ↓ afinidade da Hb para o O₂
      • ↑ da concentração de bifosfoglicerato (BPG) ↓ afinidade da Hb para o O₂

Transporte de CO₂

  • 7%–10% de CO₂: dissolvido no plasma
  • 20% de CO₂: ligado à Hb (carbaminohemoglobina)
  • Os 70% restantes são bicarbonato (HCO3); O CO₂ é convertido em HCO3 pela anidrase carbónica dentro das hemácias.

Acoplamento Ventilação/Perfusão (V/Q)

Ventilação e perfusão são os mecanismos que transportam O₂ e CO₂ entre a membrana pulmonar e os tecidos do corpo.

  • Para que as trocas gasosas sejam eficientes, a ventilação e a perfusão devem ser perfeitamente compatíveis.
  • Mudanças nas necessidades metabólicas ou estados de doença podem afetar a ventilação ou a perfusão de forma independente.
  • Existem mecanismos para manter a ventilação e a perfusão equilibradas.

Perfusão

Perfusão é o fluxo de sangue para a vasculatura pulmonar.

  • Perfusão pulmonar = débito cardíaco
  • Durante o exercício pesado, a necessidade metabólica de O₂↑ e mais CO₂ deve ser removido
  • Débito cardíaco e fluxo sanguíneo pulmonar ↑ para satisfazer as necessidades através de 2 mecanismos:
    • Recrutamento: quando a pressão arterial pulmonar ↑, vasos colapsados abrem
    • Distensão: quando a pressão arterial pulmonar ↑, os vasos arteriais que conduziam sangue em plena capacidade alargam
  • Volume pulmonar e fluxo sanguíneo:
    • Em ↑ volumes pulmonares, os capilares são comprimidos, produzindo ↑ resistência vascular (efeito de compressão)
    • Em ↓ volumes pulmonares, os capilares também são comprimidos, ↑ resistência vascular
    • Efeito da vasodilatação no fluxo sanguíneo: A pressão pleural negativa exercida nos alvéolos sendo transferidos para os vasos sanguíneos causa vasodilatação.

Ventilação

  • Alterações na PO₂ nos alvéolos → alterações no diâmetro das arteríolas que afetam a perfusão:
    • PO₂ induz vasoconstrição
    • PO₂ induz vasodilatação
    • Promove a redistribuição do fluxo sanguíneo para os alvéolos com maior PO₂
  • Quando PO₂ ↓ em todos os alvéolos, há vasoconstrição quimiorreflexa
  • Alterações na PCO₂ → alterações nos diâmetros dos bronquíolos:
    • Se o CO₂ alveolar for ↑, os bronquíolos dilatam
    • Se o CO₂ alveolar for ↓, os bronquíolos contraem
  • Gravidade e fluxo sanguíneo:
    • Gravidade ↓ fluxo de sangue em direção ao ápice e ↑ em direção à base

Hipoxemia e Hipercapnia

Existem 2 diferenças importantes de PO₂ (gradientes):

  • Alvéolo-arterial (Aa): diferença na PO₂ entre os alvéolos e o sangue arterial sistémico
  • Arteriovenosa (AV): diferença na PO₂ entre o sangue venoso e arterial
Pressões de o₂ e co₂ trocas gasosas respiratórias

Diferença arteriovenosa (av) na PO 2 entre sangue venoso e arterial:
Pressões de O2 e CO2 nos alvéolos e na circulação sistémica antes e após as trocas gasosas.

Imagem por Lecturio. Licença: CC BY-NC-SA 4.0

Hipóxia tecidual

  • Baixa disponibilidade de O para os tecidos
  • A hipóxia é sentida pelos rins, estimulando a síntese de eritrócitos através da liberação de EPO.

Hipoxemia

  • PO₂ baixo no sangue
  • Pode ser causada por:
    • Hipoventilação
    • Fração inspirada de O₂ reduzida (< 21%)
    • Comprometimento da difusão: difusão inadequada de gases nos capilares
    • Shunt da direita para a esquerda: comunicação entre as circulações arterial e venosa pulmonar , permitindo que o sangue desoxigenado não faça parcialmente as trocas gasosas
    • Desigualdade V/Q
Diagrama hipoxemia respiratória troca gasosa

Diagrama de uma derivação DIREITA PARA ESQUERDA:
Veja a comunicação que permite ao sangue não fazer as trocas gasosas e diminuir a pressão arterial de O2.

Imagem por Lecturio. Licença: CC BY-NC-SA 4.0

Hipercapnia

  • PCO₂ arterial maior que 40mmHg
  • Este processo pode ocorrer devido a:
    • Ventilação alveolar diminuída
    • Desigualdade V/Q grave
    • Aumento da produção de CO₂ sem compensação ventilatória
  • A ventilação alveolar e a PaCO₂ estão inversamente relacionadas.

Correlação Clínica

  • Anemia: diminuição das hemácias em circulação. A anemia causa uma diminuição na quantidade de O disponível à medida que a quantidade total de Hb diminui. As etiologias podem ser agrupadas com aquelas que apresentam falha na produção de eritrócitos suficientes (deficiência de ferro, displasia da medula óssea e neoplasia) e aquelas que apresentam destruição aumentada de eritrócitos (autoimune, infeciosa, genética). Os sintomas comuns de anemia incluem palidez das membranas mucosas e fadiga fácil. A oximetria de pulso permanece normal, pois a percentagem de saturação de cada molécula de hemoglobina não varia. O diagnóstico de anemia é confirmado com exames de sangue que indicam uma diminuição dos glóbulos vermelhos. O tratamento é direcionado à correção da patologia subjacente que causa a anemia.
  • Policitemia: aumento das hemácias em circulação. A policitemia causa um aumento na quantidade de O₂ disponível à medida que a quantidade total de Hb aumenta. As etiologias variam de não patológicas (habitação em grandes altitudes, período de adaptação perinatal) a processos patológicos graves (neoplasia, policitemia vera). Os pacientes com policitemia geralmente têm uma tez avermelhada e podem apresentar coagulação excessiva e as suas consequências. O diagnóstico é confirmado pela contagem de células sanguíneas e o tratamento varia de acordo com a etiologia.
  • Intoxicação por monóxido de carbono (CO): respirar CO diminui a quantidade de O₂ disponível na circulação de um paciente, ocupando os locais de ligação da Hb destinados ao O₂ com maior afinidade. A oximetria de pulso geralmente relata saturações normais e até elevadas, pois todos os locais de ligação da hemoglobina estão ocupados. Os pacientes geralmente relatam dor de cabeça e diminuição do nível de consciência. A intoxicação por monóxido de carbono pode ser letal se o paciente não for removido da fonte de CO.
  • Edema pulmonar: presença de líquido em vez de ar nos alvéolos. A presença de fluido adicional impede as trocas gasosas adequadas, diminuindo bastante a área de superfície disponível. O edema pulmonar tem várias etiologias, incluindo insuficiência cardíaca e sépsis. Os pacientes apresentam falta de ar e muitas vezes têm crepitações audíveis no exame objetivo. A oximetria de pulso geralmente é baixa nesses pacientes. O tratamento visa remover as causas da acumulação excessiva de líquido.

Referências

  1. Hall, JE, & Hall, ME. (2021). Guyton and Hall textbook of medical physiology (14th ed.). Elsevier.
  2. Powers KA, Dhamoon AS. (2021). Physiology, pulmonary ventilation, and perfusion. StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  3.  Biga, LM, Dawson, S, Harwell A, Hopkins, R, et al. Anatomy and physiology. Retrieved April 26, 2021, from https://openstax.org/details/books/anatomy-and-physiology

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