Intercâmbio de gases

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Intercâmbio de gases

A troca de gases é o processo pelo qual o oxigênio e o dióxido de carbono se movem entre a corrente sanguínea e os pulmões. Esta é a função primária do sistema respiratório e é essencial para assegurar um fornecimento constante de oxigênio aos tecidos, bem como remover o dióxido de carbono para evitar seu acúmulo.

Este artigo discutirá os princípios das trocas gasosas, fatores que afetam a taxa de troca e condições clínicas relevantes.

Física da Difusão de Gás

O movimento dos gases em um espaço contido (neste caso, os pulmões) é aleatório, mas a difusão geral resulta em movimento de áreas de alta concentração para aquelas de baixa concentração. A taxa de difusão de um gás é afetada principalmente por

• Gradiente de concentração: Quanto maior o gradiente, mais rápida é a taxa.
• Área de superfície para difusão: Quanto maior a área de superfície, mais rápida a taxa.
• Comprimento da via de difusão: Quanto maior o comprimento da via, mais lenta a velocidade.

Colisão das moléculas de gás com os lados do recipiente resulta em pressão. Isto é definido pela lei do gás ideal, dada na seguinte equação:

(n representa o número de toupeiras, R a constante do gás (8.314), T a temperatura absoluta e V o volume do recipiente)

Fig 1 – Equação para calcular a pressão de um gás em um recipiente

Difusão de Gases Através de Gases

Quando os gases estão se difundindo através de outros gases (como nos alvéolos), sua taxa de difusão pode ser definida pela Lei de Graham:

“A taxa de difusão é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molar a pressão e temperatura idênticas”

Em outras palavras, quanto menor a massa de um gás, mais rapidamente ele se difundirá.

Difusão de gases através de líquidos

Quando os gases estão se difundindo através de líquidos, por exemplo através da membrana alveolar e em sangue capilar, a solubilidade dos gases é importante. Quanto mais solúvel for um gás, mais rápido ele se difundirá.

A solubilidade de um gás é definida pela lei de Henry, que afirma que:

“A quantidade de gás dissolvido em um líquido é proporcional à sua pressão parcial acima do líquido”.

Se assumirmos que as condições de temperatura e pressão de todos os gases permanecem fixas (como aproximadamente fazem nos alvéolos) então são as diferenças inerentes entre diferentes gases que determinam a sua solubilidade.

O dióxido de carbono é inerentemente mais solúvel do que o oxigénio, e portanto difunde-se muito mais rapidamente do que o oxigénio no líquido.

Lei de Fick

A lei de Fick nos dá uma série de fatores que afetam a taxa de difusão de um gás através do fluido:

• A diferença de pressão parcial através da barreira de difusão.
• A solubilidade do gás.
• A área da secção transversal do fluido.
• As moléculas de distância necessitam de difundir.
• O peso molecular do gás.
• A temperatura do fluido – não importante dentro dos pulmões e pode ser assumida como sendo 37oC.

No pulmão, enquanto o oxigénio é menor que o dióxido de carbono, a diferença na solubilidade significa que o dióxido de carbono se difunde cerca de 20 vezes mais rápido que o oxigénio.

Esta diferença entre a taxa de difusão das moléculas individuais é compensada pela grande diferença nas pressões parciais de oxigénio, criando um gradiente de difusão maior do que o do dióxido de carbono.

No entanto, isso significa que em estados patológicos que prejudicam a capacidade dos pulmões de ventilar adequadamente com oxigênio, a troca de oxigênio é freqüentemente comprometida antes da de dióxido de carbono.

Difusão de Oxigênio

A pressão parcial de oxigênio é baixa nos alvéolos em comparação com o ambiente externo. Isto é devido à difusão contínua de oxigênio através da membrana alveolar e ao efeito diluidor do dióxido de carbono que entra nos alvéolos para deixar o corpo.

Apesar disto, a pressão parcial ainda é maior nos alvéolos do que nos capilares, resultando em uma difusão líquida no sangue. Uma vez que se difundiu através das membranas alveolares e capilares, combina-se com a hemoglobina. Isto forma a oxihemoglobina que transporta o oxigênio para os tecidos respiratórios através da corrente sanguínea.

Outras informações sobre o transporte de oxigênio dentro do sangue podem ser encontradas aqui.

Exercício, o sangue passa até metade do tempo normal (um segundo em repouso) nos capilares pulmonares devido ao aumento do débito cardíaco movendo o sangue ao redor do corpo mais rapidamente. Entretanto, a difusão de oxigênio é completa dentro de meio segundo da chegada da célula sanguínea no capilar, o que significa que o exercício não é limitado pela troca gasosa.

Fig 2 – Diagrama mostrando as pressões parciais de oxigênio e dióxido de carbono no sistema respiratório

Difusão de dióxido de carbono

A pressão parcial de dióxido de carbono nos capilares é muito maior do que a dos alvéolos. Isto significa que a difusão líquida ocorre nos alvéolos a partir dos capilares. O dióxido de carbono pode então ser exalado, pois a pressão parcial nos alvéolos também é maior que a pressão parcial no ambiente externo.

O dióxido de carbono é transportado no sangue de múltiplas formas; inclusive dissolvido, associado a proteínas e como íons bicarbonato. Mais informações sobre o transporte de dióxido de carbono no sangue podem ser encontradas aqui.

Barreira de difusão

A barreira de difusão nos pulmões consiste nas seguintes camadas:

• Epitelio alveolar
• Líquido tecidual
• Etélio capilar
• Plasma
• Membrana de eritrócitos

Fig 3 – Diagrama mostrando as camadas que compõem a barreira de difusão nos pulmões

Factores que afectam a taxa de difusão

Existem muitas propriedades que podem afectar a taxa de difusão nos pulmões. Os principais fatores incluem:

• Espessura da membrana – quanto mais fina for a membrana, mais rápida será a taxa de difusão. A barreira de difusão nos pulmões é extremamente fina, porém algumas condições causam espessamento da barreira, prejudicando assim a difusão. Exemplos incluem:
  • Fluido no espaço intersticial (edema pulmonar).
  • Emagrecimento da membrana alveolar (fibrose pulmonar).
• Área de superfície da membrana – quanto maior a área de superfície, mais rápida a taxa de difusão. Os pulmões normalmente têm uma área de superfície muito grande para troca de gases devido aos alvéolos.
  • Doenças como enfisema levam à destruição da arquitetura alveolar, levando à formação de grandes espaços preenchidos com ar, conhecidos como bolhas. Isto reduz a área de superfície disponível e retarda a taxa de troca de gases.
• Diferença de pressão através da membrana
• Coeficiente de difusão do gás

Pertinência clínica – Enfisema

Anfisema é uma doença crônica, progressiva, que resulta na destruição dos alvéolos nos pulmões. Isto resulta numa área de superfície muito reduzida para as trocas gasosas nos pulmões, o que tipicamente leva a hipoxia (insuficiência respiratória tipo 1).

O principal sintoma é o enfisema é a falta de ar, no entanto os pacientes também podem sentir sibilância, tosse persistente ou aperto torácico. Enfisema, juntamente com bronquite crônica, são as condições que compõem a Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica (DPOC). Embora fumar seja a causa mais comum, outros fatores de risco incluem exposição ao fumo passivo, exposição a fumaça ocupacional ou poeira e viver em áreas com altos níveis de poluição.

O tratamento depende do estágio da condição (ou seja, do grau de sintomas e obstrução das vias aéreas) mas normalmente inclui:

• Cessação do tabagismo.
• Broncodilatadores para reduzir a constrição brônquica.
• Corticosteróides cicatrizados para reduzir a inflamação das vias aéreas.
• Antibióticos e esteróides orais para exacerbar a doença.
• Oxigenoterapia a longo prazo (OTOT) em doença progressiva grave.

Fig 4 – Pulmões enfisematosos