Como acontece o processo de difusão gasosa entre alvéolo pulmonar e capilar alveolar?

A hematose pode ser definida como um processo em que há trocas gasosas entre o sistema respiratório e o sangue.

A respiração é um mecanismo que permite que nosso corpo consiga retirar energia química dos alimentos e utilizar essa energia nas atividades metabólicas. A respiração ocorre em dois níveis distintos: nível celular (respiração celular) e nível de organismo (respiração pulmonar).

O sistema respiratório é responsável por realizar as trocas gasosas entre o sangue e o ar que captamos através da respiração pulmonar. Esse sistema é composto por cavidades nasais, boca, faringe, laringe, traqueia, brônquios e bronquíolos. Nesses últimos são encontradas pequenas bolsas chamadas de alvéolos pulmonares, local onde ocorre a troca gasosa.

Os alvéolos pulmonares são recobertos por uma grande rede de capilares, que garante uma grande proximidade entre o sangue e o ar no interior dessas estruturas, favorecendo, assim, a difusão dos gases. O gás carbônico que se encontra em grande concentração no sangue dos capilares difunde-se para o ar alveolar. Já o gás oxigênio presente no ar difunde-se para o interior dos capilares. Esse processo é conhecido como hematose.

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O gás oxigênio que entra no sangue penetra nas hemácias, combinando-se com a hemoglobina. O transporte de oxigênio só é possível graças à presença dessa proteína, que é capaz de combinar-se com quatro moléculas de oxigênio e formar a oxiemoglobina.

Ao chegar nos tecidos, o gás oxigênio desprende-se da oxiemoglobina e é utilizado pelas células no processo de respiração celular. Grande parte do gás oxigênio é transformada, nesse processo, em gás carbônico, que se difunde das células para os capilares. Ele é então levado pelo sangue até os pulmões onde se dirige para o interior dos alvéolos. É importante frisar que apenas parte do gás carbônico é transportada pela hemoglobina (carboemoglobina), sendo que a grande maioria é levada através do plasma na forma de íons bicarbonato.

O processo de hematose ocorre constantemente no nosso corpo, assegurando, assim, a oxigenação de todos os nossos tecidos e a realização dos processos de respiração celular.

Aproveite para conferir a nossa videoaula relacionada:

Por Vanessa Sardinha dos Santos

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

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

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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 O₂
  • Afinidade da Hb para O₂ ↑ com a quantidade de O₂ ligada a ela
• Saturação de O₂ :
  • 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

Saturação da hemoglobina:
A percentagem de hemoglobina ligada aumenta com a concentração de O2 . Observe a letra A, que significa a saturação da hemoglobina no sangue arterial (próximo de 99%). A letra V significa a saturação de hemoglobina do sangue venoso.

Curva de dissociação da hemoglobina:
Mostra os deslocamentos para a direita e para a esquerda que podem ocorrer quando o fornecimento de oxigénio aos tecidos aumenta ou diminui, respetivamente.

Percentagens de CO2 transportado no plasma:
Observe como 90% é convertido pela anidrase carbónica em HCO 3 – dentro dos glóbulos vermelhos.

Curva de dissociação de Hb e CO2 :
Observe como a PCO 2 aumenta do lado arterial (a) para o lado venoso (v). A curva de dissociação é elevada com a diminuição da PO2 , referindo-se ao facto de que uma baixa concentração de O2 permite que mais CO 2 se ligue à Hb.

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.

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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.

O diagrama explica os mecanismos de recrutamento e distensão dos vasos sanguíneos, quando a pressão arterial pulmonar média é aumentada:
A) Alguns vasos estão abertos, mas não conduzem sangue.
B) Alguns vasos estão colapsados.
C) Outros vasos estão abertos e conduzem sangue.
D) Os vasos anteriormente abertos, não condutores, agora conduzem o sangue.
E) No 1º fase de recrutamento, vasos previamente colapsados ​​tornam-se patentes, mas não conduzem sangue.
F) Mais tarde, durante o recrutamento, os vasos previamente colapsados ​​agora conduzem sangue.
G) Enquanto isso, a distensão alarga vasos, condutores de sangue, previamente abertos.
H) Agora, todos os vasos dilatam-se, levando a uma redução da resistência.

Gráfico que mostra a relação entre o volume pulmonar (eixo dos x) e a resistência vascular pulmonar (eixo dos y):
Num volume pulmonar baixo (VR: volume residual) e volume pulmonar muito alto (Capacidade Pulmonar Total: CPT) a resistência vascular aumenta.

Diagrama eque explica os mecanismos de recrutamento e distensão dos vasos sanguíneos quando a pressão arterial pulmonar média é aumentada

Efeito de dilatação do vaso:
A pressão pleural negativa exercida sobre os alvéolos distende as paredes dos vasos sanguíneos e aumenta o seu diâmetro.

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

Visão geral do fluxo sanguíneo pulmonar

Zona 1 (Apex) do pulmão e o efeito da gravidade sobre ele:
A pressão arterial (Pa) é menor que a pressão alveolar (PA), tornando o fluxo de sangue difícil, se não impossível. A relação entre as pressões pode ser vista na caixa verde.

Zona 2 do pulmão e o efeito da gravidade sobre ele:
Há mais fluxo sanguíneo permitido pelo aumento da pressão arterial. A relação entre as pressões pode ser vista na caixa verde.

Zona 3 (Base) do pulmão e o efeito da gravidade sobre ele:
É a zona com maior fluxo sanguíneo no pulmão. A força da gravidade torna mais sangue disponível e a pressão arterial maior do que a pressão alveolar. A relação entre as pressões pode ser vista na caixa verde.

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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

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.

Hipóxia tecidual

• Baixa disponibilidade de O₂ 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 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.

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.

Gradientes de PO 2 nas circulações pulmonar e sistémica:
Veja o gradiente de Aa no ponto de comunicação entre os capilares pulmonares e a circulação arterial sistémica. O gradiente av seria a diferença entre a PO2 da circulação arterial sistémica antes dos capilares e a PO2 da circulação venosa sistémica após os capilares.

Exemplos esquemáticos de incompatibilidade de ventilação (V) para perfusão (Q):
À direita, pode ser visto um exemplo de baixa ventilação para alta perfusão. À esquerda, pode ser visto um exemplo de alta ventilação para baixa perfusão. No centro encontra-se uma situação normal de ventilação a perfusão com uma relação de 1 para 1.

Relação ventilação/perfusão aplicada ao ápice do pulmão ereto de um indivíduo saudável:
Perfusão reduzida do ápice (direita), o efeito inflador da gravidade devido ao peso do pulmão (centro) e os parâmetros resultantes durante a inspiração (direita). Observar o aumento da relação V/Q (V/P) devido ao aumento da ventilação e à redução da perfusão.

Relação ventilação/perfusão aplicada à base do pulmão ereto de um indivíduo saudável:
Veja o aumento da perfusão da base (direita), o efeito compressivo da gravidade devido ao peso do pulmão (centro) e os parâmetros resultantes durante a inspiração (direita). A relação V/Q (V/P) está diminuída devido ao aumento da perfusão.

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Correlação Clínica

• Anemia: diminuição das hemácias em circulação. A anemia causa uma diminuição na quantidade de O ₂ 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

Como ocorre a difusão gasosa nos alvéolos?

Como ocorre o processo de ventilação pulmonar e o processo de difusão?

Quando o oxigênio difunde de gás alveolar através da membrana alvéolo capilar para a hemoglobina ele atravessa as seguintes camadas?