Sistema respiratório: estrutura e função

O sistema respiratório é capaz de desenvolver várias funções dentro do organismo animal. A mais importante delas está relacionada às trocas gasosas em que são realizadas a oxigenação sanguínea e a liberação de gás carbônico, nos alvéolos pulmonares. Neste artigo, o foco será a função respiratória, mas vale citar as outras funções deste sistema, são elas:

• Fonação;
• Defecação e parto (manobra de Valsalva);
• Ponte de ligação entre o ventrículo esquerdo e a aurícula esquerda;
• Reservatório sanguíneo;
• Filtro sanguíneo;
• Termorregulação;
• Emunctório de substâncias voláteis;
• Linhas de defesa;
• Circulação sanguínea;
• Drenagem linfática;
• Atividades metabólicas;
• Sede de comandos nervosos reflexos;
• Manutenção do equilíbrio ácido-base (pela regulação da PaCO2);

O Raio-X de tórax

Desenvolvimento do pulmão

Frequentemente, a viabilidade do feto é limitada pelo desenvolvimento pulmonar, pois somente após a 28ª semana é possível haver trocas gasosas adequadas. A formação do sistema pulmonar divide-se, fundamentalmente, em duas etapas: desenvolvimento e maturação.

O desenvolvimento intra-uterino divide-se em três períodos:

1. Glandular (até 16ª semana);
2. Canalicular (16ª - 24ª semana);
3. Alveolar (24ª semana em diante).

A maturidade pulmonar depende de uma boa estruturação anatômica e da adequação do surfactante. O surfactante é um complexo de substâncias que cobre a superfície alveolar, consistindo principalmente de lipídeos. É produzida pelos pneumócitos do tipo II, e destina-se a manter a estabilidade dos alvéolos. O surfactante começa a ser produzido apenas na 32ª semana gestacional, atingindo concentração adequada na 36ª semana.

Após o nascimento, o número de alvéolos aumenta 10 vezes até a vida adulta. Isto ocorre principalmente nos primeiros oito anos de vida, e após esse ponto, o aumento do volume pulmonar ocorre por aumento das dimensões lineares dos alvéolos.

Conceitos básicos

• Inspiração: momento de entrada do ar nos pulmões. Em ar ambiente, ocorre pela contração dos músculos inspiratórios, principalmente do diafragma, que torna a pressão intratorácica mais negativa do que a atmosférica, possibilitando assim a entrada de para os pulmões.
• Expiração: momento de saída de ar dos pulmões. Processo que, em ar ambiente, é feito de forma totalmente passiva. Porém, em situações de exercício físico ou patologia, pode ocorrer de forma ativa pela contração dos músculos expiratórios.
• Ventilação: processo de renovação do ar dentro dos pulmões, que ocorre por meio do ciclo ventilatório, composto por inspiração e expiração.
• Respiração: do ponto de vista coloquial, a respiração é usada como sinônimo de ventilação. Porém, do ponto de vista da fisiologia, respiração é o nome do processo pelo qual um indivíduo vivo troca oxigênio (O²) e dióxido de carbono (CO²) com o ar ambiente.
• Hematose: processo de transformação do sangue arterial em sangue venoso, por meio das trocas gasosas que ocorrem nos pulmões.

Estrutura do sistema respiratório

• Narinas: via de entrada do ar atmosférico. Têm a função de aquecimento, filtração e umidificação deste ar. Podemos respirar pela boca, mas neste caso, estes três processos não ocorrem;
• Coanas;
• Seios paranasais;
• Nasofaringe;
• Orofaringe;
• Laringofaringe;
• Laringe;
• Traquéia;
• Lobo pulmonar;
• Segmento broncopulmonar;
• Lóbulo;
• Segmentação broncopulmonar: o pulmão direito apresenta 3 lobos, e o pulmão esquerdo, apenas 2. A língula, no pulmão esquerdo, corresponde ao lobo médio do pulmão direito.
• Hilo pulmonar: são orifícios localizados nas porções internas dos pulmões. A região do hilo localiza-se na face mediastinal de cada pulmão sendo formado pelas estruturas que chegam e saem dele, onde temos: os brônquios principais, artérias pulmonares, veias pulmonares, artérias e veias bronquiais e vasos linfáticos;
• Brônquios: todo tubo aerífero envolvido por bainha conjuntivo-cartilaginosa. O brônquio, portanto, fica fora do parênquima pulmonar;
• Bronquíolo: todo tubo aerífero sem cartilagem em suas paredes. Ao contrário dos brônquios, fica imerso no parênquima pulmonar;
• Bronquíolo terminal: último brônquio que não possui alvéolos em sua parede, sendo completamente revestido por epitélio brônquico;
• Bronquíolo respiratório: todo brônquio que possui alvéolos em suas paredes, ainda contém epitélio brônquico;
• Ácino: é a porção de pulmão ventilada por um bronquíolo terminal. Constitui o sítio anatômico onde efetivamente se fazem as trocas gasosas do pulmão, podendo ser chamado de "unidade respiratória terminal";
• Ductos alveolares;
• Alvéolo e saco alveolar: invaginações saciformes, onde acontecem trocas gasosas. Cada pulmão tem, em média, 300 milhões de alvéolos, totalizando uma área interna de trocas gasosas de cerca de 80m².
• Septo interalveolar: constituído de quatro elementos: o epitélio alveolar, o endotélio capilar, os elementos teciduais do espaço intersticial e o revestimento tensioativo (surfactante);
• Macrófagos alveolares;
• Poros alveolares (de Kohn) e canais de Lambert: canais intercomunicantes, vias responsáveis pela ventilação colateral;
• Vascularização sanguínea;
• Cadeias linfáticas do tórax;
• Parietais;
• Intercostais;
• Mamárias internas;
• Látero-vertebrais;
• Viscerais;
• Mediastinais;
• Anteriores (pré-vasculares);
• Posterior;
• Peritraqueobrônquicas;
• Paratraqueais;
• Subcarinal;
• Dos pedículos;
• Intrapulmonares;
• Pleura: é a serosa que envolve o pulmão;
• Pleura parietal: reveste a parede torácica (pleura costal), o diafragma (pleura diafragmática) e o mediastino (pleura mediastinal);
• Pleura visceral: intimamente ligada ao pulmão, penetra entre os lobos formando as cissuras;
• Mediastino: compartimento anatômico situado entre os dois pulmões, limitado anteriormente pelo Esterno, posteriormente pelacoluna vertebral, caudalmente pelo diafragma toraco-abdominal, e cranialmente pelo diafragma cérvico-torácico. Contém elementos anatômicos de fundamental importância e que podem ser reconhecidos na radiografia de tórax. As seguintes estruturas compõem o mediastino e podem ser vistas na radiografia de tórax:
• Átrio direito;
• Veia cava superior;
• Tronco venoso braquiocefálico direito;
• Artéria subclávia esquerda;
• Joelho esquerdo da croça da aorta;
• Tronco da artéria pulmonar;
• Auriculeta esquerda;
• Ventrículo esquerdo;
• Átrio esquerdo;
• Ventrículo direito;
• Aorta ascendente;

Vista medial do pulmão direito, mostrando o hilo pulmonar

Complemento

Parênquima: na histologia, corresponde ao conjunto de células que formam o tecido responsável pela função principal do órgão. No caso do pulmão, o parênquima é a região onde ocorrem as trocas gasosas. O parênquima é complementado pelo estroma, tecido este que serve de suporte.

Fisiologia pulmonar

A respiração consiste nas trocas gasosas entre o meio interno e o ar ambiente, que ocorre pela ventilação pulmonar. As células vivas utilizam o Oxigênio em seu metabolismo, e ao final do processo, eliminam gás carbônico como resíduo metabólico. Como o ar atmosférico contém oxigênio em maior pressão do que dentro das células, e com o gás carbônico acontece o inverso, o sentido das trocas de gases no interior do parênquima pulmonar é determinado pela simples diferença de pressão entre estes dois setores. Portanto, a troca gasosa é um processo de difusão simples.

No ser humano, pode-se dizer que há 3 fases na respiração:

1. Fase pulmonar ou externa (hematose);
2. Fase sanguínea ou intermediária (transporte);
3. Fase celular ou interna (metabolismo aeróbico);

Nesta postagem, o foco será a primeira fase. 

No início da ventilação, o ar entra pelas vias aéreas, que destinam-se a conduzir o ar atmosférico até o setor das trocas gasosas; constituem o chamado espaço morto anatômico, visto que não há troca gasosa nesta parte do sistema, com volume aproximado de 150ml. Para que a ventilação ocorra, é necessário drive respiratório, nervos e músculos íntegros, conjunto pulmão-tórax com boa complacência, e brônquios permeáveis.

Ventilação

Por ventilação, entende-se a renovação do ar alveolar. Não deve ser confundida com "respiração", que refere-se às trocas gasosas. Para que a respiração ocorra, é necessário que ocorra primeiramente a ventilação. Para que este processo seja adequado são necessários: estímulo ventilatório, nervos e músculos íntegros, conjunto pulmão-caixa torácica com boa complacência, e brônquios permeáveis.

Diferenças regionais da ventilação e da perfusão

É importante, para o fisioterapeuta, o entendimento de que diferentes áreas do pulmão ventilam de forma diferente, dependendo da posição. Diversas terapias podem ser utilizadas em pacientes hospitalizados, por meio da mudança de posição do corpo, visando priorizar a ventilação de uma certa área do pulmão. 

Na posição ortostática, os alvéolos do ápice do pulmão têm maior diâmetro que os da base. Isto deve-se ao fato de que no ápice a pressão pleural é mais negativa, devido ao peso do pulmão, o que traciona mais as paredes alveolares, abrindo mais os espaços aéreos. Consequentemente, o volume dos alvéolos apicais varia pouco, enquanto que o volume dos basais tem mais ampla variação. 

Da mesma forma, a perfusão pulmonar também não é uniforme, aumentando dos ápices para as bases. No indivíduo em decúbito dorsal, ela é maior na região posterior. Em decúbito lateral, é maior no lado inferior. A pressão arterial e venosa aumentam em direção às bases, enquanto a pressão alveolar permanece a mesma.

Em resumo: os ápices são mais ventilados, e as bases melhor perfundidas.

Relação ventilação/perfusão (V/Q)

Conforme visto na seção anterior,  a relação V/Q não é uniforme em todo o pulmão. Nas bases, a relação V/Q é baixa e as trocas gasosas não são apropriadas. Nos ápices, a relação V/Q é elevada e a hematose é favorecida. Considerando-se o somatório das relações V/Q nas diferentes regiões do pulmão, verifica-se um leve prejuízo das trocas gasosas. Os distúrbios da relação V/Q são a maior causa de hipoxemia nas doenças pulmonares.

Transporte de gases

O O² é transportado no sangue de 2 formas: dissolvido ou combinado com a hemoglobina.

O CO² é transportado no sangue de 3 formas: como íon bicarbonato, em combinação com proteínas formando carbaminocompostos ou dissolvido.

Curva de dissociação da oxihemoglobina

Trocas gasosas

Tanto as trocas gasosas entre os alvéolos e os capilares pulmonares, quanto a troca sangue-tecido, ocorrem por difusão simples, por diferença de pressão parcial dos gases.

Mecânica respiratória

A mecânica respiratória trata de como se realiza a função ventilatória do pulmão. Isto envolve diferentes forças de expansão e retração. A caixa torácica pode ser modificada nos seus diâmetros fundamentais: diâmetro longitudinal, pelos movimentos de elevação e depressão, gerados principalmente pelo diafragma; e o diâmetro ântero-posterior, gerados principalmente pelos músculos intercostais externos. 

A expiração, em situação de repouso, é um processo passivo, ocorrendo pela diferença de pressão entre a caixa torácica e o ar ambiente. Entretanto, no exercício ou na hiperventilação voluntária, os músculos expiratórios passam a ser exigidos: reto abdominal, oblíquos interno e externo, transverso do abdômen. Os intercostais internos e os serráteis anteriores atuam como acessórios neste processo.

Propriedades mecânicas do pulmão

1 - Curva de pressão-volume: as curvas de insuflação e desinsuflação pulmonar não são iguais. A uma mesma pressão, o volume de desinsuflação é maior do que o de insuflação.

Curva pressão-volume pulmonar

2 - Complacência: é a variação de volume pulmonar gerada pela diferença unitária de pressão. 

3 - Tensão superficial;

4 - Resistência das vias aéreas;
   4.1 - Qualidade do fluxo aéreo;
   4.2 - Pressões no fluxo respiratório;
   4.3 - Locais de resistência;
   4.4 - Fatores que influenciam na resistência;
   4.5 - Resistência do tecido;
   4.6 - Trabalho respiratório (WOB);

Volumes e capacidades pulmonares

Volumes

• Volume corrente (VC): é a quantidade de ar que entra e sai dos pulmões durante um ciclo ventilatório. Determina-se um valor médio de 500 ml, e se subtrairmos o volume que fica no espaço morto anatômico, de 150 ml, teremos o valor de 350 ml de ar renovado a cada ventilação. Porém, estes valores são apenas valores de média, e devemos considerar que, dependendo do tamanho do indivíduo, o mesmo terá valores diferentes;
• Volume de reserva inspiratório (VRI): é a quantidade máxima de ar que pode entrar nos pulmões após uma inspiração corrente, e em uma inspiração máxima o VRI pode chegar a 3000 ml. Importante reserva durante exercício físico;
• Volume de reserva expiratório (VRE): é a quantidade de ar que pode sair dos pulmões após uma expiração corrente, e em uma expiração máxima o VRE pode chegar a 1100ml;
• Volume residual (VR): é a quantidade de ar que permanece no interior dos pulmões, mesmo após uma expiração forçada máxima. O VR é de cerca de 1200ml.

Capacidades

• Capacidade inspiratória: é a soma do VC e do VRI;
• Capacidade residual funcional: é a soma do VRE e do VR;
• Capacidade vital: é a soma do VC, VRI e VRE;
• Capacidade pulmonar total: é soma de todos os volumes pulmonares. Em condições normais, seu valor médio é de cerca de 5800 ml.

Volumes e capacidades pulmonares

Padrões de ventilação

• Eupnéia: Respiração normal em repouso;
• Hiperpnéia: FR aumentada em resposta ao aumento da taxa metabólica;
• Hiperventilação: ventilação alveolar além das necessidades metabólicas;
• Hipoventilação: diminuição da ventilação alveolar;
• Taquipnéia: FR aumentada;
• Bradipnéia: FR diminuída;
• Dispnéia: dificuldade de ventilar (falta de ar);
• Apnéia: parada respiratória.

Sistema respiratório e exercício físico

Durante o exercício físico, ocorre aumento da demanda metabólica pela musculatura, que exigirá mais O² para seu metabolismo e liberará mais CO² para a corrente sanguínea. O sistema respiratório passará a ser mais exigido durante este período, entrando em hiperpnéia. 

A hiperpnéia no exercício físico divide-se em três partes:

• Fase 1: Aumento rápido em relação ao valor de repouso e curto platô em virtude do impulso do comando central e do influxo proveniente dos músculos hiperativos. Dura cerca de 30 a 50 segundos.
• Fase 2: A elevação exponencial mais lenta começa cerca de 20 segundos após o início do exercício. O comando central continua, juntamente com a retroalimentação (feedback) proveniente dos músculos hiperativos mais o efeito adicional a curto prazo dos neurônios respiratórios. Dura cerca de 3 a 4 minutos, em média.
• Fase 3: Os principais mecanismos reguladores alcançam valores estáveis, o influxo adicional proveniente dos quimiorreceptores periféricos proporciona a sintonia delicada da resposta ventilatória.

O exercício físico irá aumentar o débito cardíaco, aumentando a circulação pulmonar e diminuindo o espaço morto. Com isto,a relação V/Q torna-se mais homogênea nos pulmões. A curva de dissociação da oxihemoglobina irá desviar-se para a direita.

Consumo máximo de oxigênio

Também chamado de VO²max, o consumo máximo de oxigênio é um importante marcador da capacidade aeróbica do indivíduo. Representa a capacidade máxima de captar, transportar e metabolizar oxigênio para a biossíntese oxidativa de ATP, nas mitocôndrias.

VO² = Ve . %O²/100

Limiar anaeróbio

Limiar anaeróbio, ou limiar de lactato, é o momento, relacionado à intensidade do esforço físico ou do consumo de oxigênio, em que a produção de ATP é suplementada pela glicólise anaeróbia, com formação de ácido lático. É a intensidade do exercício onde ocorre a transição do sistema aeróbio para o anaeróbio.

Primeiro e segundo limiar de lactato, em relação à carga de exercício

Efeito do treinamento no limiar anaeróbio

Como podemos ver no gráfico abaixo, o treinamento físico sistematizado desviará a curva de produção de lactato para a direita, permitindo ao indivíduo suportar maiores cargas de exercício antes do acúmulo excessivo de lactato.

Curvas de acúmulo de lactato em relação ao VO²max, antes e depois de programa de treinamento físico

Sistema respiratório na ventilação mecânica

O ciclo respiratório o paciente em ventilação mecânica (VM) é dividido em quatro fases (conforme a figura abaixo):

• Fase 1: Inspiração;
• Fase 2: Ciclagem (mudança da fase inspiração para a fase de expiração);
• Fase 3: Expiração;
• Fase 4: Disparo ou trigger (início da fase inspiratória).

O ciclo respiratório em VM. Fonte: Carvalho (2007)

Para ler um artigo mais completo sobre ventilação mecânica e sua interação com o sistema respiratório, recomendo que você leia este post, onde este assunto é abordado de forma mais aprofundada.

Referências

• CARVALHO, C. R. R., JUNIOR, C. T., FRANCA, S. A.; III Consenso Brasileiro de Ventilação Mecânica; J Bras Pneumol. 2007;33(Supl 2):S 54-S 70;
• LEVY, Y.; Sistema respiratório e exercícios; acesso online, disponível em: https://www.passeidireto.com/arquivo/30045352/sistema-respiratorio-e-exercicios; acesso em: 30 de Março de 2019;
• SILVA, L. C. C.; Compêndio de pneumologia; Fundação editorial Byk-Procienx; Março de 1983;