Faculdade de Medicina da Universidade
do Porto
Serviço de Fisiologia
Aula Teórico-Prática
REGULAÇÃO DA RESPIRAÇÃO
Texto de Apoio
Dr. Miguel Guerra
Manuel Falcão
Prof. Doutor Adelino Leite Moreira
Porto, Ano Lectivo 2001 / 02
INTRODUÇÃO
Um sistema complexo controla a respiração em função das necessidades metabólicas e
optimiza os gastos energéticos dos músculos respiratórios. Este sistema é capaz de manter os gases do
sangue arterial dentro de limites estreitos, mesmo em circunstâncias fisiológicas extremas, como o
esforço físico muito intenso ou a estadia em grandes altitudes, e num grande número de situações
patológicas.
A regulação da respiração pode ser nervosa, química ou mecânica e consiste em respostas
integradas de três elementos básicos:
1. Receptores, que recebem informação e enviam-na para os
2. Centros Respiratórios, que coordenam a informação e activam ou inibem a acção dos
3. Músculos da Respiração, responsáveis pela Ventilação.
A respiração é controlada pelo Sistema Nervoso Central; a respiração voluntária é regulada
pelo córtex, e a respiração automática pelos centros respiratórios do bolbo e da ponte. Os músculos
respiratórios são inervados pelo nervo frénico e pelos nervos intercostais. Esta regulação ajusta a
ventilação de maneira a manter pressões sanguíneas de oxigénio e de dióxido de carbono apropriadas.
Existem vários receptores que enviam informação para os centros respiratórios, tais como
quimiorreceptores, mecanorreceptores e outros.
Nota:
[H+]
Concentração de Hidrogeniões
[H+]a
Concentração Arterial de Hidrogeniões
PaO2
Pressão Arterial de Oxigénio
PAO2
Pressão Alveolar de Oxigénio
PaCO2 Pressão Arterial de Dióxido de Carbono
PACO2 Pressão Alveolar de Dióxido de Carbono
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REGULAÇÃO NERVOSA DA RESPIRAÇÃO
A respiração é regulada por dois sistemas neuronais distintos, mas inter-relacionados: o
comportamental ou voluntário e o metabólico ou automático.
O sistema voluntário (tálamo e córtex cerebral) coordena a respiração relativamente a várias
actividades motoras complexas, que utilizam os pulmões e a parede torácica (ex. deglutição). As suas
fibras eferentes deslocam-se nos feixes extrapiramidais e fazem sinapse com os neurónios motores dos
músculos da respiração.
A hiperventilação voluntária é possível até um determinado estado de alcalose. Quando a
PaCO2 diminui acentuadamente, os músculos da mão e do pé começam a entrar em contracção
tetânica (espasmo carpopedal). Este espasmo muscular pode generalizar-se e paralisar os músculos da
respiração. A hipoventilação voluntária é mais difícil. O tempo possível de sustentação da ventilação
depende de vários factores, tais como, a PaCO2 e a PaO2. Uma hiperventilação prévia prolonga o
período de apneia voluntária, especialmente se for inspirado ar com uma pressão parcial de oxigénio
elevada. Contudo, existem outros factores e mecanismos envolvidos nesta regulação que, ainda, não
estão completamente esclarecidos.
O sistema automático regula a ventilação mantendo a homeostasia do meio interno. Os
centros respiratórios automáticos localizam-se na ponte e no bolbo raquidiano, e são responsáveis pela
origem e duração dos ciclos respiratórios. As suas fibras eferentes para os neurónios motores
deslocam-se pela via piramidal.
As fibras nervosas que medeiam a inspiração convergem nos neurónios motores do nervo
frénico e nos neurónios motores dos nervos intercostais externos. As fibras nervosas responsáveis pela
expiração activa convergem, principalmente, nos núcleos motores dos nervos intercostais internos. As
vias motoras descendentes activam os músculos agonistas e inibem os músculos antagonistas,
simultaneamente – inervação recíproca (FIG.1). Isto é, os neurónios motores dos músculos expiratórios
estão inibidos enquando aqueles que inervam os músculos inspiratórios estão activados e vice-versa. A
única excepção é a existência de um pequeno número de axónios do nervo frénico que mantêm a sua
actividade por um curto período de tempo após a inspiração. A função destas eferências pósinspiratórias é vencer a elasticidade das fibras pulmunares proporcionando movimentos respiratórios
suaves.
FIG.1 – Representação gráfica de potenciais de acção do nervo frénico, de um nervo intercostal
externo e de um nervo intercostal interno, em 3 níveis diferentes de ventilação pulmonar.
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CENTROS RESPIRATÓRIOS
O centro respiratório do tronco cerebral é formado por vários grupos de neurónios localizados,
bilateralmente, no bolbo raquidiano e na ponte (FIG.2).
FIG.2 – Organização do Centro Respiratório.
1. Centro respiratório dorsal, localizado na porção posterior do bolbo raquidiano e
responsável pela inspiração e pelos ciclos respiratórios;
2. Centro pneumotáxico, localizado posteriormente na porção superior da ponte e que
controla a frequência e o padrão dos movimentos respiratórios;
3. Centro respiratório ventral, localizado na porção ventrolateral do bolbo raquidiano e
que pode provocar inspiração ou expiração conforme o grupo de neurónios estimulados.
CENTRO RESPIRATÓRIO DORSAL
Constituído por neurónios do núcleo do Tractus Solitarius e da Substância Reticular do bolbo
raquidiano. Recebe fibras aferentes de quimiorreceptores periféricos, de barorreceptores e de
receptores mecânicos pulmonares via nervos vago e glossofaríngeo.
O ritmo cíclico da ventilação é gerado automaticamente nos neurónios deste centro
respiratório. Verificou-se que mesmo após secção de todas as fibras nervosas que convergem no bolbo
raquidiano, este continua a emitir potenciais de acção inspiratórios. Os ciclos respiratórios dependem
de 2 factores: actividade contínua do centro respiratório dorsal que inicia a inspiração; e actividade
intermitente de aferências com origem no cérebro, tálamo, nervos cranianos e receptores sensoriais
que inibem os impulsos nervosos inspiratórios e promovem a expiração.
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Durante a respiração normal em repouso, o sinal nervoso transmitido aos músculos
inspiratórios é fraco, mas aumenta progressivamente de intensidade num padrão “tipo rampa” durante
cerca de 2 segundos – Sinal Inspiratório em Rampa. Durante os próximos 3 segundos cessa
bruscamente, interrompendo a estimulação do diafragma e permitindo a retracção (elastic recoil) da
parede torácica e dos pulmões – expiração passiva. De seguida, o sinal inspiratório inicia outro ciclo
que se repete, sucessivamente, intercalando a expiração. O Sinal Inspiratório em Rampa permite um
aumento do volume pulmonar harmonioso e uniforme durante a inspiração.
O Sinal Inspiratório em Rampa é regulado relativamente a 2 factores (FIG.3) :
1.
Controlo do grau de aumento do sinal (declive da rampa) - durante a respiração activa, o
declive é maior e, portanto, o aumento do volume pulmonar durante a inspiração é mais
rápido.
2.
Controlo do ponto limitante (switch-off) onde a rampa termina - quanto mais precoce for
o ponto limitante, mais curta é a duração da inspiração. Por razões desconhecidas, a
FLUXO INSPIRATÓRIO
expiração também encurta. Portanto, a frequência respiratória aumenta.
FIG.3 – Representação gráfica do Sinal Inspiratório em Rampa.
TEMPO
CENTRO PNEUMOTÁXICO
Constituído por neurónios do núcleo Parabraquial. Envia fibras eferentes para o centro
respiratório dorsal. A sua principal função é regular a duração da inspiração controlando o ponto
limitante do Sinal Inspiratório em Rampa. Quando o sinal pneumotáxico é intenso, a inspiração pode
durar apenas 0,5 segundos, mas quando o sinal é fraco, a inspiração pode continuar durante mais de 5
segundos, preenchendo os pulmões com grandes quantidades de ar. Quando o centro pneumotáxico é
inactivado, a inspiração torna-se muito prolongada – apneusis (> 10 segundos).
Um sinal pneumotáxico intenso pode aumentar a frequência respiratória para 30-40
ciclos/minuto (a limitação da inspiração também encurta a expiração e, portanto, todo o ciclo
respiratório), enquanto que um sinal fraco pode reduzir a frequência para apenas alguns ciclos por
minuto.
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O centro pneumotáxico regula a relação entre a inspiração e a expiração. O estiramento das
fibras pulmonares durante a inspiração desencadeia um feedback negativo (vide infra) que activa o
centro pneumotáxico, inibindo o Sinal Inspiratório em Rampa. Portanto, após vagotomia o tempo de
inspiração aumenta (FIG.4).
FIG.4 – Registos de dois ciclos respiratórios antes (A) e após (B) vagotomia.
CENTRO RESPIRATÓRIO VENTRAL
Constituído por neurónios dos núcleos Ambiguus e Retroambiguus. Este centro respiratório
difere do centro respiratório dorsal em vários aspectos:
1.
Os neurónios do centro respiratório ventral permanecem praticamente inactivos durante a
respiração normal em repouso.
2.
Este centro contribui tanto para a inspiração como para a expiração. A estimulação
eléctrica de alguns neurónios provoca inspiração (neurónios I), enquanto outros causam
expiração (neurónios E).
3.
É responsável pela génese e transmissão de impulsos nervosos para os músculos
expiratórios, durante a expiração activa.
4.
Funciona como um mecanismo de potenciação dos sinais respiratórios, auxiliando o
centro respiratório dorsal, quando níveis mais elevados da ventilação pulmonar são
necessários, especialmente durante o exercício.
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CENTRO APNÉUSTICO
Localiza-se na porção inferior da protuberância e envia impulsos eléctricos para o núcleo
respiratório dorsal, prevenindo ou retardando o ponto limitante do Sinal Inspiratório em Rampa. Isto é,
tem uma função oposta à do centro pneumotáxico. O volume pulmonar aumenta progressivamente e
apenas, ocasionalmente, ocorrem pequenos suspiros expiratórios.
A função deste centro ainda não está totalmente esclarecida, mas é provável que em
associação com o centro pneumotáxico controle a profundidade e duração da inspiração.
INTEGRAÇÃO ESPINHAL (FIG.5)
A estimulação ou a inibição dos músculos da respiração envolvem redes segmentares de
interneurónios e impulsos nervosos descendentes, que modulam os potenciais de membrana dos
motoneurónios, alterando o seu limiar de excitabilidade. Por exemplo, o estiramento dos músculos
intercostais ou a estimulação eléctrica das raízes dorsais dos segmentos torácicos T9-T12 excitam os
neurónios motores do nervo frénico e dos músculos intercostais externos e provocam uma expansão da
cavidade torácica. Por outro lado, a estimulação dos segmentos T1-T8 inibe a actividade de neurónios
motores do nervo frénico e limitam a inspiração.
Os reflexos espinhais são muito importantes na respiração, porque aumentam a força
muscular, quando a resistência respiratória está aumentada ou a complacência da caixa torácica está
diminuída. Por outro lado, estabilizam a caixa torácica cartilagínea do recém-nascido, permitindo os
movimentos respiratórios. Durante a inspiração a pressão pleural subatmosférica tem tendência a
retrair a caixa torácica cartilagínea do recém-nascido. Quando os receptores de estiramento dos
músculos intercostais detectam este movimento, estimulam os neurónios que provocam contracção dos
músculos que se opõem a esta distorção, estabilizando a caixa torácica e permitindo a inspiração.
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Córtex
Cerebral
Excitação
Inibição
Ponte
Centro
Pneumotáxico
Centro
Apnéustico
Controlo
Voluntário
Centros
Bulbares
Inspiração
Qr.Centrais
Qr.Periféricos
Expiração
Espinal
Medula
Diafragma
M.Intercostais
externos
Músculos
Intercostais
internos
Receptores
Mecânicos dos
Pulmões e
Parede Torácica
Movimentos
Respiratórios
FIG.5 – Integração Espinal. Interacções Nervosas.
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REGULAÇÃO QUÍMICA DA RESPIRAÇÃO
A respiração permite manter concentrações adequadas de oxigénio, dióxido de carbono e
hidogeniões (H+) nos tecidos. Os mecanismos de regulação química controlam a ventilação de tal
maneira que PaCO2 é mantida dentro de valores normais, os efeitos do excesso de H+ no sangue são
rapidamente tamponados, e a PaO2 é regulada evitando hipóxias potencialmente perigosas.
A ventilação é regulada de acordo com as necessidades respiratórias do organismo. Por
exemplo, durante o exercício as taxas de utilização de O2 e de formação de CO2 podem aumentar mais
de 20 vezes, exigindo maiores volumes correntes. O volume respiratório é proporcional à taxa de
metabolismo, no entanto, o elo de ligação entre o metabolismo e a ventilação é o CO2 e não o O2.
Os centros respiratórios cerebrais (ventral, dorsal e pneumotáxico) não são sensíveis a
alterações químicas no sangue ou no líquido cefalorraquidiano (LCR). A regulação química da
ventilação é mediada pelos quimiorreceptores respiratórios. Estes receptores são sensíveis a alterações
da pressão do CO2, do O2 e a alterações do pH, e enviam impulsos nervosos para os centros
respiratórios cerebrais. Um aumento da PaCO2 ou da [H+]a ou uma diminuição da PaO2 activam os
centros respiratórios cerebrais (após estimulação dos quimiorreceptores) que despolarizam os
neurónios motores dos músculos respiratórios.
QUIMIORRECEPTORES CENTRAIS
Os quimiorreceptores centrais localizam-se na superfície ventrolateral do bolbo raquidiano,
entre as origens dos sétimo e décimo nervos cranianos, perto dos centros respiratórios (FIG.6). São
responsáveis por cerca de 75% da hiperventilação induzida pelo aumento da PaCO2; os restantes 25%
são da responsabilidade dos quimiorreceptores periféricos.
FIG.6 – Quimiorreceptores Centrais
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Alterações produzidas experimentalmente na pressão de CO2 do LCR têm efeitos reduzidos na
variação da respiração desde que a [H+] seja mantida constante. Estas observações experimentais
indicam que os quimiorreceptores bulbares respondem a alterações da [H+] do fluido intersticial
cerebral que os rodeia e não ao CO2. O aumento da [H+] estimula a ventilação e a diminuição inibe-a.
A composição do fluido intersticial depende do LCR, do fluxo sanguíneo local e do
metabolismo local. O LCR é o mais importante. A barreira hemato-encefálica é impermeável aos iões
H+ e HCO3-, no entanto, as moléculas de CO2 atravessam-na facilmente por difusão. Assim, quando a
PaCO2 aumenta, o CO2 difunde-se para o LCR a partir dos vasos sanguíneos cerebrais e é rapidamente
hidratado. O H2CO3 dissocia-se, aumentando a concentração local de iões H+ que estimulam os
quimiorreceptores centrais (FIG.7). Portanto, os efeitos do CO2 na ventilação são secundários a
alterações que provoca no pH do LCR.
A [H+] no LCR é directamente proporcional à PaCO2 e a estimulação da ventilação é
directamente proporcional ao aumento [H+]. Alterações na [H+]a têm menores efeitos do que alterações
da PaCO2. Portanto, paradoxalmente, são libertados mais hidrogeniões na área quimiossensitiva
respiratória quando aumenta a PaCO2 do que quando aumenta a [H+]a.
FIG.7 – Activação dos Quimiorreceptores Centrais por alterações PaCO2. Note que não são
directamente activados pelo PaCO2, mas sim por alterações do pH do LCR.
O pH normal do LCR é de 7,32. Como contém menor quantidade de proteínas do que o
sangue, tem uma capacidade de tampão menor. As alterações no pH do LCR são superiores às
alterações verificadas no pH sanguíneo. Contudo, os mecanismos de compensação a longo prazo são
mais precoces no LCR do que na corrente sanguínea. Enquanto os primeiros dependem de alterações
da permeabilidade da barreira hemato-encefálica, os segundos dependem de mecanismos renais (2-3
dias). Logo, o LCR é mais sensível a alterações da PaCO2.do que o sangue periférico, porque por um
lado, o seu pH sofre variações mais amplas, e por outro, retorna para níveis próximos do normal mais
rapidamente.
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QUIMIORRECEPTORES PERIFÉRICOS - CORPOS CAROTÍDEOS E AÓRTICOS
Os quimiorreceptores periféricos ou glomus (FIG.8) são os corpos carotídeos (geralmente dois)
e os corpos aórticos (dois ou mais). Os primeiros localizam-se junto da biforcação carotídea, um de
cada lado; os segundos localizam-se acima e abaixo da crossa da artéria aorta. A sua principal função é
detectar alterações na PaO2, apesar de também serem sensíveis a alterações da PaCO2 e da [H+].
Transmitem impulsos nervosos para os centros respiratórios cerebrais que regulam a actividade
respiratória. Os quimiorreceptores periféricos respondem a diminuições da PaO2 e do pH sanguíneo e
a aumentos da PaCO2. No homem os mais importantes são os corpos carotídeos.
FIG.8 – Quimiorreceptores Periféricos. Organização do Corpo Carotídeo.
Cada glomus (FIG.8) contém ilhéus de dois tipos de células, células tipo I e células tipo II,
rodeadas de capilares sinusoidais fenestrados. As células tipo I têm grânulos densos que contêm
catecolaminas e recebem terminações em cálice de nervos aferentes. Estas células são estimuladas
quando expostas à hipóxia e libertam dopamina (principal neurotransmissor) que excita as terminações
nervosas através de receptores D2. As células tipo II são semelhantes a células gliais, e cada uma
rodeia quatro a seis células tipo I. A sua função é, provavelmente, de sustentação.
Externamente à cápsula que rodeia cada glomus, as fibras nervosas aferentes adquirem uma
baínha de mielina. Enquanto as fibras aferentes dos corpos carotídeos ascendem até ao bolbo
raquidiano através do seio carotídeo e do nervo glossofaríngeo, as fibras dos corpos aórticos ascendem
através do nervo vago. Os glomus são quimiorreceptores com potenciais gradativos, isto é, a amplitude
dos seus potenciais aumenta com a grandeza dos estímulos que os desencadeiam, têm condução
decremental e podem sofrer somação temporal ou espacial.
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Os receptores nos corpos carotídeos são estimulados, principalmente, por diminuições da
PaO2. As células tipo I têm canais de K+ sensíveis-O2, cuja condutância é inversamente proporcional
ao grau de hipóxia a que estão expostos. A diminuição de radicais de oxigénio parece ser o “gatilho”
bioquímico que activa os quimiorreceptores do corpo carotídeo quando PaO2 diminui. A diminuição
do efluxo de K+ durante a hipóxia despolariza a célula e causa um influxo de Ca2+, principalmente via
canais L. O influxo de Ca2+ desencadeia um potencial de acção e a libertação dos neurotransmissores,
que consequentemente, excitam as terminações dos nervos aferentes (nervo de Hering).
Nota: Enquanto as células musculares lisas das artérias pulmonares contêm canais de K+ sensíveis-O2,
semelhantes aos dos quimiorreceptores, que provocam vasoconstrição quando a PaO2 diminui, as artérias
sistémicas contêm canais de K+ dependentes-ATP que levam a um maior efluxo de K+ em estados de hipóxia e,
consequentemente, causam vasodilatação em vez de vasoconstrição.
O fluxo sanguíneo por unidade de tecido nos corpos carotídeos (2000mL/100g/min) é superior
ao do cérebro (54mL/100g/min) e ao dos rins (420 mL/100g/min), que são órgãos de elevada perfusão
sanguínea. Devido ao enorme fluxo sanguíneo por unidade de tecido, as necessidades das células
glomus podem ser facilmente satisfeitas apenas com o O2 dissolvido no plasma. Portanto, os
receptores não são estimulados em condições como anemia e intoxicação por CO, nas quais a PaO2
está diminuida, geralmente, à custa do componente combinado (HbO2). Os receptores são estimulados
quando a PaO2 diminui à custa de ambos os componentes (combinado e dissolvido) ou quando a
quantidade de O2 que chega aos receptores por unidade de tempo está diminuida, devido a estase
vascular. O fluxo sanguíneo por minuto dos corpos carotídeos é cerca de 20 vezes o seu peso,
portanto, a percentagem de remoção de O2 é virtualmente zero. Logo, como os quimiorreceptores
estão sempre expostos a uma pressão de O2 semelhante à PaO2, têm uma acção importante na resposta
ventilatória a alterações da PaO2.
Quando os corpos carotídeos são extraídos ou desnervados, existe uma pequena alteração na
ventilação em repouso, mas a resposta ventilatória à hipóxia é perdida e há uma redução de 25% na
resposta ventilatória ao aumento da PaCO2. A resposta dos quimiorreceptores periféricos a alterações
da PaCO2 é menos importante do que a dos quimiorreceptores centrais.
Devido à sua localização anatómica, os corpos aórticos não têm sido estudados em grande
detalhe como os corpos carotídeos. As suas respostas são provavelmente semelhantes, mas de menor
amplitude.
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RESPOSTA VENTILATÓRIA AO CO2
A variável mais importante na regulação da ventilação em condições normais é a PaCO2. A
sensibilidade deste controlo é elevada, visto que, durante a actividade diária com períodos de repouso
e de exercício, a PaCO2 não se altera mais de 3mmHg. A PaCO2 normal é de aproximadamente
40mmHg. Quando há um aumento resultante de hipermetabolismo tecidual, a ventilação é estimulada
e a taxa de libertação de CO2 aumenta até a PaCO2 atingir novamente níveis normais.
Quando uma mistura de ar contendo CO2 é inalada, a PACO2 aumenta, aumentando a PaCO2 e
estimulando a ventilação à medida que o sangue que contém mais CO2 atinge o bolbo raquidiano e os
quimiorreceptores periféricos. Portanto, aumentos relativamente grandes na pressão de CO2 inspirado
(ex. 15mmHg) produzem aumentos relativamente pequenos na PACO2 (ex. 3mmHg). Contudo, a
PACO2 não cai até níveis normais, e um novo equilíbrio acima do valor basal é atingido, persistindo a
hiperventilação enquanto o CO2 for inalado.
FIG.9 – Resposta de um indivíduo normal
à inalação de O2 com 2, 4 e 6% CO2.
Existe uma relação linear entre o volume respiratório por minuto e a PACO2 (FIG.9). No entanto,
esta relação tem um limite superior. Quando a pressão de CO2 é superior a 7% do ar inspirado, a
expiração de CO2 está dificultada e as pressões alveolar e arterial aumentam abruptamente apesar da
hiperventilação. A acumulação de CO2 no organismo (hipercapnia) deprime o SNC, incluindo o centro
respiratório, e produz cefaleias, confusão e eventulamente coma (CO2 narcosis).
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RESPOSTA VENTILATÓRIA À HIPÓXIA
Apesar da PaCO2 ser a principal variável controlada, o oxigénio também pode tornar-se
importante na regulação da respiração, quando a PaO2 diminui para valores muito baixos. A
estimulação dos quimiorreceptores periféricos é, portanto, um mecanismo de emergência que é
activado na hipóxia grave. Quando os sensores de O2 nos glomus são estimulados a ventilação
aumenta. Se os corpos carotídeos forem removidos ou desnervados, a hipóxia deprime a respiração,
uma vez que a diminuição da pressão cerebral de O2 deprime a actividade neuronal do tronco cerebral.
Quando a percentagem de O2 no ar inspirado está diminuida, há um aumento no volume
respiratório por minuto. A estimulação é fraca enquanto a pressão de O2 inspirado for superior a 60
mmHg, e marcada para níveis inferiores. Contudo, qualquer declíneo na PaO2, abaixo de 100 mmHg
produz descargas sucessivamente mais intensas nos nervos dos quimiorreceptores carotídeo e aórtico,
isto é, a relação entre PaO2 e a ventilação é hiperbólica (FIG.10).
FIG.10 – Resposta Ventilatória à inspiração de diferentes % de O2.
Existem 2 razões que explicam porque nos individuos normais este aumento na transmissão do
impulso não aumenta a ventilação enquanto o PaO2 não atingir valores inferiores a 60mmHg: (1) a
hemoglobina é um ácido mais fraco que HbO2, logo, há uma diminuição ligeira na [H+] do sangue
arterial quando PaO2 diminui; (2) qualquer aumento na ventilação que ocorra diminui PaCO2, inibindo
a ventilação.
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INTERACÇÃO ENTRE HIPERCAPNIA E HIPÓXIA
Quando a PACO2 é estabilizada em níveis 2-3 mmHg acima do normal, há uma relação inversa
entre a ventilação e a PAO2 que se estabelece mesmo para valores de PAO2 dentro do intervalo 90-110
mmHg; mas quando a PACO2 é mantida em níveis inferiores dos valores normais, não há estimulação
da ventilação pela hipóxia até que PAO2 diminua abaixo de 60 mmHg. Isto é, a hipercapnia aumenta a
sensibilidade dos quimiorreceptores periféricos à hipóxia (FIG.11).
FIG.11 – Ventilação a diferentes PACO2 quando a
PaCO2 é mantida constante em 49, 44 e 37mmHg.
A hipóxia é um estímulo muito intenso quando a PaCO2 está elevada. Portanto, a asfixia
(hipercapnia + hipóxia) estimula a ventilação muito mais que apenas a hipóxia isolada. Quando a
resposta ao CO2 é testada a diferentes níveis de valores de PAO2, o declive da curva aumenta à medida
que a PAO2 diminui (FIG.12). Por outras palavras, a hipóxia torna o indivíduo mais sensível a aumentos
na PaCO2, acentuando os efeitos da hipercapnia e da acidose na actividade dos quimiorreceptores
periféricos.
FIG.12 – Curvas de Resposta ao CO2 a diferenteds
valores fixos de PACO2.
Portanto, os efeitos combinados da hipóxia e da hipercapnia na ventilação excedem a soma
dos efeitos separados de cada um dos estímulos.
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RESPOSTA VENTILATÓRIA AO PH
Na acidose metabólica (ex. cetoacidose diabética) há uma estimulação respiratória
pronunciada (Respiração de Kussmaul). A hiperventilação compensatória diminui a PaCO2 e aumenta
o pH sanguíneo. Na alcalose metabólica (ex. vómitos intensos) a ventilação é deprimida e a PaCO2
aumenta, aumentando a [H+] sanguínea para níveis próximos do normal. Se houver um aumento na
ventilação que não é secundário à diminuição do pH arterial, a PaCO2 diminui abaixo do normal
aumentando o pH sanguíneo (alcalose respiratória); paralelamente, a hipoventilação que não for
secundária a diminuições da [H+] plasmática causa acidose respiratória.
Os efeitos do ião H+ e do CO2 na estimulação da ventilação são aditivos, ao contrário do que
acontece na relação entre os efeitos do CO2 e O2. Quando a [H+]a aumenta, as curvas de resposta ao
CO2 são semelhantes à da figura 12, excepto estarem deslocadas para a esquerda (FIG.13). Isto é, níveis
de PaCO2 mais baixos produzem a mesma estimulação respiratória. A curva de resposta ao CO2
desloca-se 0,8 mmHg para a esquerda por cada nanomole de aumento de [H+]a.
FIG.13 – Deslocamento da Curva de
resposta Ventilatória a variações do pH.
INFLUÊNCIA DO FLUXO SANGUÍNEO CEREBRAL NA RESPIRAÇÃO
A taxa de produção de CO2 nos neurónios é constante, uma vez que o metabolismo cerebral é
praticamente constante. Logo, a pressão do CO2 no LCR varia de acordo com o fluxo sanguíneo para o
cérebro. A hipóxia inibe o tónus da vasculatura arterial cerebral e, portanto, provoca vasodilatação. A
hipercapnia também provoca vasodilatação cerebral..
O SNC pode modificar a sensibilidade dos quimiorreceptores periféricos. Alterações na
actividade nervosa simpática alteram o fluxo sanguíneo nos corpos carotídeos, alterando a sua pressão
de O2. A diminuição do fluxo sanguíneo dos glomus aumenta a sua sensibilidade para a hipóxia.
A hipoxemia crónica, que pode ocorrer em pessoas adaptadas a grandes altitudes, deprime a
resposta ventilatória à hipóxia, devido a uma adaptação dos quimiorreceptores periféricos e dos
centros bulbares da respiração.
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REGULAÇÃO MECÂNICA DA RESPIRAÇÃO
RECEPTORES SENSORIAS PULMONARES
Os receptores sensoriais pulmonares respondem a diferentes estímulos e enviam impulsos
nervosos para os centros respiratórios do tronco cerebral via fibras aferentes vagais mielínicas e
amielínicas. Existem três tipos de receptores pulmonares:
1.
Receptores Mecânicos, localizados na camada de músculo liso das vias aéreas
extrapulmonares e com funções de regulação da ventilação;
2.
Receptores Químicos, localizados na camada mucosa das vias aéreas extrapulmonares e
com funções de protecção;
3.
Receptores J, localizados no interstício pulmonar e na parede dos alvéolos e com funções
de protecção.
Os receptores mecânicos são receptores de adaptação lenta, isto é, a sua estimulação
sustentada origina potenciais de acção durante longos períodos de tempo. Estes receptores respondem
a alterações da pressão transmural dos brônquios (distensão) e são inervados por fibras mielínicas
aferentes do nervo vago. A activação dos mecanorreceptores, quando a pressão pulmonar aumenta,
desencadeia uma resposta reflexa que inibe a actividade dos músculos da inspiração – Reflexo de
distenção de Hering-Breuer. Este reflexo tem uma acção semelhante à do centro pneumotáxico, isto é,
limita o Sinal Inspiratório em Rampa e aumenta a frequência respiratória. O bloqueio do reflexo, após
vagotomia, prolonga o tempo de inspiração.
Os receptores químicos são receptores de adaptação rápida, isto é, quando sujeito a estímulos
sustentados apenas emitem potenciais de acção inicialmente. Também são inervados por fibras
aferentes mielínicas do nervo vago, mas respondem a substâncias químicas que irritam a mucosa
brônquica tais como gases tóxicos (dióxido de nitrogénio, dióxido sulfúrico e amónia), fumo de
tabaco e antigénios inalados (pólen). No entanto, também podem ser estimulados mecanicamente por
aumentos da tensão pulmonar, da velocidade de inspiração (uma inspiração súbita e rápida de ar
húmido ou frio provoca muitas vezes tosse), por partículas que se depositem na mucosa ou por
alterações do tonus muscular dos brônquios (crise de asma). A activação destes receptores provoca
espirros, tosse, broncoconstrição e secreção de muco.
Os receptores J consistem em terminações livres de fibras C (amielínicas) e localizam-se
perto dos capilares pulmonares (justacapilar). São estimulados por distensão das fibras pulmonares,
mas também respondem à administração intravenosa de substâncias químicas. A resposta reflexa
consiste num período de apneia seguido de taquipneia, bradicardia e hipotensão (pulmonary
chemoreflex). Uma resposta similar é produzida por receptores no coração (Bezold-Jarisch reflex ou
coronary chemoreflex). Estes reflexos são responsáveis pela taquipneia e dispneia associadas a
patologias com congestão dos capilares pulmonares e aumento do espaço extracelular pulmonar –
insuficiência cardíaca esquerda e doenças pulmonares intersticiais.
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RECEPTORES NA PAREDE TORÁCICA
Os receptores da parede torácica incluem receptores das articulações, fusos musculares e
órgãos tendinosos de Golgi (FIG.14). As suas fibras aferentes mielínicas terminam na espinal medula e
medeiam reflexos espinais que regulam os movimentos respiratórios.
A actividade dos receptores das articulações varia com a extensão e velocidade de movimento
das costelas. Os órgãos tendinosos de Golgi dos músculos intercostais e do diafragma controlam a
força de contracção muscular e tendem a inibir a inspiração. Os fusos musculares que abundam nos
músculos intercostais e da parede abdominal, mas são raros no diafragma, ajudam a coordenar a
respiração durante a postura e o discurso.
FIG.14 – Receptores da Parede Torácica.
OUTROS RECEPTORES
O nariz, a nasofaringe, a laringe e a traqueia têm receptores que respondem a estímulos
químicos e mecânicos. Várias respostas reflexas estão descritas, tais como, espirros, tosse e
broncoconstrição.
A estimulação dos barorreceptores arteriais, quando a pressão sanguínea aumenta, podem causar uma
hipoventilação reflexa ou até apneia. Paralelamente, a hipotensão causa hiperventilação. A estimulação de
receptores de dor e de temperatura cutâneos provoca períodos de apneia seguidos de hiperventilação.
Aferências proprioceptivas dos membros durante movimentos activos ou passivos estimulam a
ventilação. Este reflexo ajuda a regular a respiração durante o exercício físico.
Os reflexos viscerais também são importantes, visto que, inibem a respiração e encerram a
glote durante o vómito. Além de evitarem a aspiração do conteúdo gástrico para a traqueia, fixam a
parede torácica para que a contracção dos músculos abdominais possa aumentar a pressão
intrabdominal.
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↓ PO2 Arterial
↑ da Produção de Ácidos
↑ PCO2 Arterial
↑ PCO2 do LCR
↑ [H ] do LCR
+
↑ [H ] Arterial
+
Quimiorreceptores
Periféricos
↑ Impulsos Aferentes
Quimiorreceptores
Centrais
↑ Impulsos Aferentes
Excitação dos Neurónios
Bulbares Inspiratórios
Excitação dos Motoneurónios
dos Músculos da Inspiração
Diafragma e
M. Intercostais
↑ Contracção
↑ VENTILAÇÃO
FIG.15 - Sumário dos principais estímulos químicos que estimulam a Ventilação.
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REGULAÇÃO DA RESPIRAÇÃO COM A VARIAÇÃO DA ALTITUDE
Ao nível do mar a pressão atmosférica é de 760 mmHg (1 atmosfera). O ar normal que respiramos
é composto na sua grande maioria por azoto (78%) e por oxigénio (21%). Outros gases que compõem
a atmosfera, como o CO2 e o vapor de água, existem em quantidades muito pequenas. Em altitudes
superiores ao nível médio das águas do mar a pressão atmosférica é inferior a 760 mmHg. No entanto,
a proporção de cada gás, na mistura que é o ar, não varia. Consequentemente, a pressão parcial de cada
gás diminui em termos absolutos.
Altitude
Pressão do ar
Pressão parcial de O2 (21%)
0 metros
760 mmHg
159.6 mmHg
8848 metros (Evereste)
253 mmHg
53.13 mm Hg
Nos alvéolos pulmonares, a constituição do ar é diferente da composição do ar atmosférico. Em
situações fisiológicas e à altitude zero, a pressão parcial do vapor de água é de 47 mmHg e a pressão
parcial de CO2 é de 40 mmHg. A pressão parcial dos outros gases varia directamente com a pressão do
ar que está a ser respirado. Compreende-se, portanto, que em locais de elevada altitude, a pressão
parcial de O2 atmosférico existente pode não ser suficiente para que a PAO2 permita uma oxigenação
ideal da hemoglobina. Isto pode resultar em hipoxemia. No alto do Evereste, numa pessoa que não
está aclimatizada a PAO2 não ultrapassa os 18 mmHg, valor que não é suficiente para se conseguir uma
oxigenação eficaz. Quando a saturação arterial de O2 desce até valores inferiores a 40-50% um
indivíduo não adaptado começa a ter alterações da consciência podendo vir mesmo a perdê-la. No
entanto existem pessoas que, sem a ajuda de oxigénio puro, conseguem viver e trabalhar a altitudes
superiores (caso dos habitantes da cordilheira dos Andes). Para conseguir sobreviver nestas situações
de défice de oxigénio o organismo desenvolve mecanismos de adaptação, muitos dos quais não são
imediatos. Por isso, as escaladas a montanhas de grande altitude têm que ser feitas durante muito
tempo e por etapas, para que o alpinista se adapte às alterações da pressão de O2.
Quando um indivíduo chega pela primeira vez a um local de altitude elevada, os seus
quimiorreceptores periféricos ao detectarem a hipoxemia vão condicionar uma hiperventilação. Esta
hiperventilação vai diminuir a PaCO2 e a [H+]a (alcalose). Esta redução vai inibir os quimiorreceptores
centrais e, como consequência, vai limitar a hiperventilação induzida pela hipóxia. Assim, uma
exposição imediata a uma baixa pressão parcial de O2 só permite melhorar a ventilação alveolar em
65%. As sensações experimentadas quando a transição para altitude elevada é demasiado rápida para
permitir a aclimatização são cansaço, cefaleias, tonturas e náuseas. Os sintomas tendem a ser piores
quanto mais rápida for a subida.
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Se este indivíduo permanecer em altitude durante dois ou três dias a sua capacidade de ventilação
começa a aumentar progressivamente até atingir um novo equilíbrio; consequentemente irá melhorar
os níveis de oxigenação do sangue. Este processo denomina-se aclimatização e é devido a vários
mecanismos de compensação, alguns dos quais ocorrem rapidamente enquanto outros surgem ao
longo de semanas e até meses ou anos.
FIG.16 - Regulação da Respiração com a Variação da Altitude.
MECANISMOS DE ACLIMATIZAÇÃO
!"
Aumento da excreção renal de HCO3-. Aumento da [H+]a e diminuição do pH
sanguíneo.
!"
Diminuição da concentração do HCO3- no LCR. O plexo coróide reduz a secreção de
HCO3- do sangue para o LCR. Em 24-48 horas, o pH do LCR regressa a valores muito
próximos do normal apesar da PaCO2 permanecer reduzida. Como resultado, deixa de se opor
à hiperventilação que é estimulada pela baixa PaO2; assim a ventilação alveolar aumenta
gradualmente.
!"
A curva da resposta ventilatória ao CO2 está deslocada para a esquerda e o seu declive
é mais acentuado. Como resultado, o limiar para a estimulação respiratória central ser
estimulada passa a ser inferior a 40 mmHg. Portanto, a PaCO2 que inibe a resposta de
hiperventilação provocada pela hipóxia passa a ser inferior, permitindo aos quimiorreceptores
periféricos uma maior estimulação do centro respiratório.
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!"
A curva de dissociação da oxi-hemoglobina é deslocada para a direita como resultado
do aumento da produção de 2,3 difosfoglicerato (2,3 DPG) por parte dos glóbulos rubros. Isto,
apesar de não melhorar a capacidade de captação de O2 a uma PO2 reduzida, permite aos
tecidos extraírem mais O2 da hemoglobina.
!"
Aumento do número de glóbulos vermelhos e de hemoglobina como resultado do
aumento da produção de eritropoietina por parte do rim (duas a três semanas).
!"
Aumento da capacidade de difusão do oxigénio através da membrana pulmonar.
!"
Aumento do número de capilares nos tecidos que estão em hipóxia. Isto verifica-se
especialmente em pessoas que durante a sua infância viveram em locais de elevada altitude.
Todos estes mecanismos acabam por permitir que um indivíduo aumente a sua ventilação para
cerca de cinco vezes o normal. Melhora a oxigenação do sangue, a capacidade de permanência à
mesma altitude e permite que continue a subir. Mesmo assim, nem a pessoa melhor aclimatizada
consegue sobreviver no pico do Evereste durante muito tempo sem a ajuda de oxigénio.
BIBLIOGRAFIA
1.
Berne RM, Levy MN, editors. Physiology. St Louis: Mosby, 4th edition, 1998: 572-585.
2.
Guyton AG, Hall JE, editors. Textbook of Medical Physiology. Saunders, 10th edition, 2000:474-482.
3.
Vander, Sherman, Luciano. Humam Physiology. 7th edition: 488-501.
4.
Gannong W. F. - Review of Medical Physiology, 18th edition 1999 Appleton & Lange: 626-638.
5.
Moffet 2th edition: 498-515
6.
John B. West: Respiratory Physiology. The Essencials. Lippincott Williams&Wilkins, 6th edition, 2000.
7.
Slorim N.B, Hamilton L.H. Respiratory Physiology 5Th Edition, CV Mosby Co. 1987
8.
Levitzky, MG: Pulmonary Physiology, Mc Graw-Hill 1995
9.
Agamemnon Despopoulos, Stefan Silbernagl. Color Atlas of Physiology. 4Th Edition, Thieme 1991.
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↓ PO2 Inspirado
↓ PO2 Alveolar
↓ PO2 Arterial
Quimiorreceptores Periféricos
↑ Impulsos Aferentes
Reflexo via neurónios
respiratórios bulbares
Músculos Respiratórios
↑ Contracções
↑ Ventilação
Retorno da PaO2 e da PAO2
para valores superiores aos normais
FIG. – 15-29
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Inspiração de uma
mistura de ar com CO2
↑ PCO2 Alveolar
↑ PCO2 Arterial
↑ PCO2 do LCR
↑ [H ] Arterial
+
↑ [H ] do LCR
+
Quimiorreceptores
Centrais
↑ Impulsos Aferentes
Quimiorreceptores
Periféricos
↑ Impulsos Aferentes
Reflexo via neurónios
respiratórios bulbares
Músculos Respiratórios
↑ Contracções
↑ Ventilação
Retorno da PaCO2 e da PACO2
para valores superiores aos normais
Retorno PCO2
do LCR
+
Retorno [H ]
Arterial
+
Retorno [H ] do
LCR
FIG. – 15-31
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