O objetivo principal da respiração é suprir oxigênio (O2) para o sistema e retirar o gás carbônico (CO2) do sangue. Nesta seção vamos discutir a física envolvida na troca de gás entre os pulmões e o sangue.
A pressão com que o sangue é bombeado para os pulmões é de aproximadamente 20 mmHg, isso corresponde a 15% da pressão na principal circulação do corpo.
A quantidade de sangue sempre presente nos pulmões é cerca de 1L, enquanto que apenas 70 ml estão nos capilares dos pulmões obtendo oxigênio constantemente. Os pulmões são muito eficientes nas trocas gasosas, pois, o sangue fica nos capilares pulmonares por um tempo menor do que um segundo.
Curiosidade: a área de contato entre o ar e o sangue é aproximadamente 80 m². Para se ter uma idéia, isso equivale mais ou menos à metade da área de uma quadra de tênis. Se o volume que fica nos capilares é de 70 ml, isso significa que para cobrir uma área de 80 m² de sangue, teremos uma camada de um micrômetro de espessura, menor do que a espessura de uma única célula de glóbulo vermelho.
Os dois processos envolvidos nas trocas gasosas são:
1- Perfusão* = obtenção de sangue para a região capilar
* (Troca de líquido inclusive sangue) através de um órgão (Fonte Aurélio).
2- Ventilação = entrada de ar para as superfícies alveolares.
Se um desses processos falhar, o sangue não será oxigenado.
Nos pulmões existem três tipos de áreas:
1- áreas que apresentam boa ventilação e boa perfusão.
2- áreas com boa ventilação e perfusão com pouca eficiência.
3- áreas com ventilação pouco eficiente e boa perfusão.
Doenças pulmonares como embolia (coágulo no pulmão), ou pneumonia afetam a eficiência desse sistema deventilação-perfusão. Na embolia, o volume pulmonar afetado é pobre em perfusão, enquanto que na pneumonia, a parte obstruída é pobre em ventilação.
Para entender o processo de trocas gasosas, temos que considerar o fenômeno físico denominado difusão.
O que é difusão?
Imagine se você deixar uma gota de perfume fora do frasco, rapidamente suas moléculas se espalharão no ambiente em que se encontram. Assim, dizemos que as moléculas se difundiram no ambiente. A difusão de moléculas ocorre quando há uma diferença de concentração destas no meio em que estão. O movimento aleatório das moléculas faz com que a distribuição de moléculas no meio fique homogêneo.
Clique no link a seguir para visualizar o processo de difusão de moléculas. Para tal inicialize a simulação Propriedades dos gases adicionando no compartimento quantidades distintas de átomos pesados e átomos leves. Veja o que ocorre. Para adicionar átomos, basta bombear a manivela da “bomba de átomos” com o mouse .
"Ao clicar espere um pouco até seu computador abrir o simulador"
Após utilizar o simulador tente responder:
. Verifique o ocorre com a pressão no manômetro, se o número de moléculas aumentar?
. Se diminuirmos o volume do recipiente e aumentarmos a temperatura, o acontecerá com a pressão do gás?
Algumas informações importantes sobre difusão:
A difusão depende da velocidade das moléculas: a velocidade é maior se as moléculas são leves e aumenta com aumento da temperatura. No tecido, a difusão de O 2 e CO 2 é aproximadamente 10.000 vezes mais lenta do que no ar, porém a espessura do tecido, na qual a molécula sofre a difusão através da parede alveolar, é muito pequena (0,4mm) gastando um tempo muito curto (menor do que um segundo).
A chamada lei de Dalton das pressões parciais é muito importante para entendermos o comportamento dos gases nos pulmões.Vejamos o que diz a Lei de Dalton: Se tivermos uma mistura de gases, cada um deles apresenta uma pressão parcial, de maneira que, se somarmos todos esses valores, teremos a pressão total da mistura. Vamos considerar agora um recipiente fechado de ar seco com pressão de 760 mmHg. Se pudéssemos retirar desse recipiente apenas as moléculas de O 2 , a pressão cairia para 152 mmHg, ou seja 20% de 760 mmHg. Chamamos esta pressão de pressão parcial de O 2 .
Se retirarmos N2 , a pressão será 608 mmHg ou seja, 80% da pressão total. A figura 1 ilustra o que ocorre. Assim, vemos que a pressão parcial dos gases em uma mistura é a mesma pressão obtida se estes gases ocupam sozinhos um recipiente.
FIGURA 1

Figura 1: Uma ilustração esquemática da lei de Dalton das pressões parciais. Um litro de ar a uma pressão de 760 mmHg pode ser pensado como uma mistura de um litro de oxigênio na pressão de 150 mmHg e um litro de nitrogênio na pressão de 610 mmHg. Adaptado de CAMERON, J., SKOFRONICK, J.G. Medical physics. New York : John Wiley & Sons, 1978, p.126.
Lei de Henry da solubilidade dos gases
Agora vejamos o que acontece se tivermos em um recipiente fechado, oxigênio e sangue. As moléculas de oxigênio que colidem com o sangue sofrerão difusão. Após um período, a quantidade de moléculas de oxigênio que escapa do sangue por segundo, é igual à quantidade que entra nele. Se a pressão parcial de oxigênio na fase gasosa é dobrada, a quantidade de oxigênio dissolvida no sangue também dobra. Essa relação de proporcionalidade é chamada de Lei de Henry da solubilidade dos gases.
O oxigênio e o dióxido de carbono apresentam solubilidades diferentes no transporte desses gases através da parede alveolar. A molécula de oxigênio difunde-se mais rápido do que o dióxido de carbono porque sua massa é menor.
Algumas curiosidades:
Já foi falado em outro tópico. Nossos pulmões não ficam vazios por completo, sempre há uma quantidade de ar denominada de capacidade residual funcional (volume de arque quase sempre permanece nos pulmões entre as respirações). Quando respiramos, o ar rico em oxigênio não vai diretamente para os alvéolos, ele se mistura com o ar residual e logo depois atinge a superfície dos alvéolos. Em seguida, o oxigênio é dissolvido na parede alveolar, e se difunde até os capilares sanguíneos de forma que, a sua pressão parcial seja igual à dos alvéolos. Todo esse processo gasta menos do que 0,5 segundo, conforme podemos verificar no gráfico da figura abaixo.
O sangue não consegue transportar muito oxigênio, a maioria é transportada para as células através da proteína denominada hemoglobina (Hb). Para se ter uma idéia, um litro de sangue nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), pode transportar cerca de 200 ml de oxigênio, já em solução carrega apenas 2,5 ml. Como a maioria de oxigênio não está em solução, é importante analisar o papel da hemoglobina.
O gráfico da figura 2, mostra que a Hb que sai dos pulmões atinge uma saturação de 97% de oxigênio a uma pressão parcial de aproximadamente 100 mmHg.
FIGURA 2

Figura 2: Porcentagem de saturação de oxigênio do sangue como uma função da pressão parcial deoxigênio nos alvéolos. A 100% de saturação, um litro de sangue pode transportar 200 ml de oxigênio nas CNTP. Esta curva é afetada pela temperatura, pela pressão parcial de dióxido de carbono e pelo pH do sangue. Fonte: CAMERON, J., SKOFRONICK, J.G. Medical physics. New York : John Wiley & Sons, 1978, p.129.
Nem todo oxigênio é liberado pela Hb, a quantidade depende da pressão parcial do oxigênio nos tecidos. Em repouso, o sangue venoso retorna ao coração com aproximadamente 75% de sua carga de oxigênio.
Durante trabalhos físicos intensos, os músculos variam a pressão parcial de oxigênio reduzindo-a drasticamente, fazendo que mais oxigênio seja retirado da Hb para atender à demanda muscular. Nesses casos, o corpo pode aumentar o fluxo de sangue em até três vezes . Quando os músculos são solicitados intensamente, podem receber 10 vezes mais oxigênio do que em uma situação de repouso. Para pessoas normais, o que limita a capacidade física, não é a quantidade de sangue bombeada e nem a quantidade de oxigênio fornecida, e sim a velocidade com que o oxigênio é transferido para os músculos.
Para descrever o fluxo de fluidos para dentro e para fora dos capilares usa-se a lei de Starling de Capilaridade. O movimento de um fluido pela parede do capilar é regido por duas pressões:
1- a pressão hidrostática, através da parede do capilar e
2- a pressão osmótica.
A pressão hidrostática no capilar varia de aproximadamente 25 mmHg, quando o sangue flui de uma extremidade arterial, para aproximadamente 10 mmHg, quando o sangue deixa o vaso capilar pela extremidade venosa. A pressão osmótica líquida é de 20 mmHg dentro do vaso capilar. Dessa maneira, devido a diferença de pressão, fluidos fluem para fora do vaso capilar na extremidade arterial, e para dentro do vaso capilar na extremidade venosa.
Se pressão capilar subir, por exemplo, devido a um trauma, mais fluidos são forçados para os tecidos dos capilares causando inchaço, ou edema dos tecidos.
Nos músculos em repouso apenas 5% dos capilares estão em funcionamento. As arteríolas, que alimentam os capilares, apresentam músculos chamados esfíncteres, que controlam a quantidade de sangue na rede de capilares. Quando há uma necessidade maior de sangue, o esfíncter relaxa, permitindo que o músculo receba mais sangue e oxigênio.
Textos extraídos e adaptados dos livros:
CAMERON, J., SKOFRONICK, J.G. Medical physics. New York : John Wiley & Sons, 1978.
GUYTON, A.C., HALL, J.E Tratado De Fisiologia Médica 9. Ed. Rj . Guanabara Koogan, 1997 .