PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
MODELAGEM E SIMULAÇÃO DA OXIGENAÇÃO TECIDUAL
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Química do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.
Orientador: Prof. Dr. Leonel Teixeira Pinto
JANAÍNA KARINE ANDREAZZA Florianópolis, fevereiro de 2003
AGRADECIMENTOS
Meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas que apoiaram e acreditaram no meu trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Leonel Teixeira Pinto, por toda sua dedicação, amizade, paciência e estímulo durante a realização deste trabalho.
À minha mãe e melhor amiga, Carin Kroeger, por confiar em mim, pelo seu imenso amor sempre dedicado, por estar presente em todas as horas.
Ao meu pai, Hilário Andreazza, por me proporcionar a oportunidade de realizar este curso e por todo o seu amor.
À minha irmã Aline C. Andreazza Nogueira e meu cunhado Adriano Nogueira, pelo carinho e atenção.
Ao meu grande amor Lourival F. de Oliveira Jr, por estar comigo em todas as horas e por toda sua paixão.
À minha oma, Yolanda Kroeger (em memória), por toda sua admiração e por seus sábios conselhos.
À minha grande amiga, Cristiana G. de O. Dal’Molin, por seus conselhos, incentivos, conversas, discussões e mais do que tudo pela pessoa maravilhosa que é.
Ao professor Carlos Silvado, pelo incentivo, contribuições para o enriquecimento do trabalho e por sua participação na banca examinadora.
Ao professor Dr. José Marino Neto, pela disponibilidade prestada e por sua participação na banca examinadora.
Ao professor Dr. Luismar Marques Porto, por acreditar nesta área de pesquisa e por sua participação na banca examinadora.
Ao professor Dr. Marintho Quadri, pelas contribuições prestadas ao trabalho. Ao colega da Coordenadoria de Pós-Graduação em Engenharia Química, Edivilson, pelo apoio.
ÍNDICE
NOTAÇÃO ...vii
RESUMO...ix
ABSTRACT...x
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO ...01
CAPÍTULO II - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...03
2.1. Aspectos fenomenológicos ...03
2.1.1. Circulação sangüínea ...03
2.1.1.1. Sistema respiratório: ar atmosférico e alveolar ...04
2.1.1.2. Pressão parcial do oxigênio...05
2.1.1.3. Pressão sangüínea arterial...06
2.1.2. Fisiologia sangüínea...06
2.1.2.1. Quantidade de sangue necessário para os órgãos ...08
2.1.2.2. Fluidos de transporte ...09
2.1.2.2.1. Fluido intersticial ...11
2.1.2.3. Efeito da intensidade do metabolismo tecidual sobre a PO2 intersticial ...12
2.1.3. Transporte de gases respiratórios ...12
2.1.3.1. Formas que o oxigênio é transportado no sangue arterial: dissolvido e ligado à Hb...13
2.1.3.2. Utilização de O2 pelas células ...14
2.1.3.3. Gradiente de pressão parcial de O2 ...14
2.1.3.4. Hematose do gás carbônico...15
2.1.4. Estruturas da circulação ...17
2.1.4.1. Capilares sangüíneos ...19
2.1.4.2. Membrana alvéolo-capilar...21
2.1.5. Fluxo sangüíneo...23
2.1.5.1. Determinação do fluxo sangüíneo ...23
2.1.5.2. Efeitos da intensidade fluxo sangüíneo sobre a PO2 do líquido intersticial...25
2.1.5.3. Controle do fluxo sangüíneo...25
2.1.5.4. Circulação cerebral (fluxo) ...26
2.1.6. Causas de redução na troca de oxigênio ...28
2.1.6.1. Anemia ...28
2.1.6.2. Hipoxia...30
2.2. Reações com o oxigênio...30
2.2.1. Hemoglobina como transportadora de gases respiratórios ...31
2.2.1.1. Formas da hemoglobina ...33
2.2.1.2. Relação de quantidade de oxihemoglobina...33
2.2.1.3. Afinidade e facilitação de oxihemoglobina ...35
2.2.1.4. Curva de dissociação ...37
2.2.1.5. Cinética da reação O2 - Hb ...38
2.3. Modelos matemáticos ...41
2.4. Conclusão ...47
CAPÍTULO III - MODELAGEM MATEMÁTICA...49
3.1. Estrutura geometria utilizada...49
3.2. Modelagem matemática do perfil de oxigênio ...52
3.2.1. Balanço de massa para a oxihemoglobina no capilar...52
3.2.2. Balanço de massa para o oxigênio no capilar...53
3.2.3. Balanço de massa para o oxigênio no tecido ...56
3.2.4. Velocidade de reação Hb-O2...57
3.3. Condições de contorno para o modelo matemático ...62
3.4. Síntese do modelo matemático do perfil de oxigênio ...64
3.5. Adimensionalização do modelo matemático ...66
3.6. Resolução numérica ...69
3.6.2. Modelo matemático para o perfil da concentração de O2 discretizado...69
3.6.3. Fluxograma do programa computacional ...69
3.7. Conclusão ...72
CAPÍTULO IV – RESULTADOS E DISCUSSÕES...74
4.1. Dados Iniciais...75
4.2. Validação dos dados iniciais com a literatura...82
4.2.1. Curva de saturação hemoglobínica...82
4.2.2. Influência da velocidade sangüínea...86
4.2.3. Resultados numéricos da pressão de oxigênio no tecido ...87
4.3. Conclusão ...89
CAPÍTULO V - ESTUDO DE CASOS...91
5.1. Infarto e Isquemia ...92
5.2. Autoregulação ...97
5.2.1. Tempo de resposta...100
5.2.2. tempo de relaxação...106
5.3. Conclusão ...110
CAPÍTULO VI - CONCLUSÕES E SUGESTÕES...113
NOTAÇÃO
Ac,x área secção transversal capilar, (cm2) At,z área secção normal ao capilar tecido, (cm2)
Hb
C concentração de hemoglobina livre, (mol/cm3)
2
HbO
C concentração da oxihemoglobina, (mol/cm3)
art HbO2
C concentração de oxihemoglobina no sangue de alimentação, (molHbO2/ml)
veia
2 HbO
C concentração da HbO2 na veia, (molHbO2/ml)
total
Hb
C concentração total de Hb, (molHb/ml)
c O2
C concentração oxigênio no capilar, (mol/cm3)
art O2
C concentração de oxigênio livre no sangue de alimentação, (molO2/mlsangue)
art O2total
C concentração total de oxigênio no sangue de alimentação, (molO2/mlsangue)
t O2
C concentração oxigênio no tecido, (mol/cm3) Ct*
O2 concentração de oxigênio no tecido em equilíbrio com a concentração de
oxigênio no sangue. 0 z 0 x * t O2 C
== concentração adimensional de oxigênio no tecido em equilíbrio com a
concentração de oxigênio no sangue de alimentação
d espessura do tecido, (cm)
2
HbO
D coeficiente difusivo axial HbO2, (cm2/s)
c O2
D coeficiente difusivo axial do O2 no capilar, (cm2/s)
t O2
D coeficiente difusivo normal ao capilar do O2 no tecido, (cm2/s)
k constante de velocidade de reação para consumo de oxigênio no tecido cerebral, (s-1)
ka coeficiente cinético de associação hemoglobina-oxigênio kb coeficiente cinético de dissociação hemoglobina-oxigênio
L comprimento do capilar, (cm)
n coeficiente de Hill
2
HbO
N fluxo difusivo da oxihemoglobina, (mol/cm2.s)
0 z O2
N = fluxo difusivo de O2 na interface capilar-tecido, (mol/cm2.s)
t
2 O
N fluxo difusivo de O2 no tecido, (mol/cm2.s)
P50 pressão parcial de O2 para saturação hemoglobínica de 50%
2
O
P pressão parcial de oxigênio, (mmHg)
T
reação cinética entre Hb-O2, ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ sangue ml . min mol v Velocidade do sangue, (cm/s)
Vc volume de controle capilar, (cm3) Vt volume de controle tecido, (cm3) x distância axial do capilar, (cm)
x distância adimensional axial do capilar z distância, no tecido, normal ao capilar, (cm)
z distância adimensional normal ao capilar no tecido
2
HbO
y concentração adimensional de oxihemoglobina
c O2
y concentração adimensional de oxigênio no capilar
t O2
y concentração adimensional de oxigênio
LETRAS GREGAS
f espessura do capilar, (cm)
c
2 O
α Solubilidade do O2 no sangue, (molO2/mlsangue.mmHg)
t
2 O
RESUMO
Este trabalho propõe um modelo matemático para analisar o processo transiente de oxigenação tecidual. O modelo considera o capilar homogêneo na direção radial, no qual os únicos fenômenos que ocorrem são a convecção e a difusão axial, a reação reversível entre a hemoglobina e o oxigênio e as trocas de oxigênio na interface com o tecido. Para o tecido, além da reação de consumo de oxigênio pelo metabolismo celular, é considerada a difusão na direção normal ao capilar. Os coeficientes cinéticos da reação Hb-O2, tanto os de associação, quanto os de dissociação, são função da saturação hemoglobínica. Os capilares teciduais são representados por estruturas paralelas separadas regularmente uma das outras. O modelo matemático resultante consiste de um sistema de equações diferenciais parciais que é solucionado pelo método das linhas, mediante discretização espacial por diferenças finitas centrais. O modelo é então validado por comparação com dados da literatura, mostrando ser adequado para descrever o comportamento dinâmico da oxigenação tecidual. Na seqüência, ele é utilizado para analisar situações fisiológicas especiais. Entre estas situações encontra-se a oclusão de uma artéria, causando uma parada abrupta e praticamente instantânea da circulação sangüínea arterial. Logo após, é proposto um controlador para autoregulação de suprimento de oxigênio tecidual quando o tecido sofre uma perturbação sistêmica.
ABSTRACT
This work a proposal of mathematics model to analyze the transient of tissue oxigenation. The model considers the homogeneous capillary toward radial direction where the unique phenomenous that occurring are the convection and axial diffusion, the reversible reaction between hemoglobin and oxygen, and the interchanges among the oxygen through interphase with the tissue. For the tissue, beside of the reaction of oxygen consumption for the cellular metabolism, it is considered the diffusion on the normal direction to the capillary. The kinetic coefficients of HbO2 reaction, the association and the disassociation coefficients, are function of hemoglobin saturation. The capillary tissues are represented for parallel structures separated regularly one to the other. The resulting mathematical model consists of one system of partial differential equations that is solved for lines method, by means of discretizing space for central finite differences. Then, the model it is accepted by comparison with literature data, showing to be adequate to describe the dynamic behavior of tissue oxygenation. On sequence, it is use to analyze special physiologic situations. Among these situations is found an artery occlusion occasioning an abrupt stopping, just instantaneous of arterial blooding circulation. Then, after that, it is done a proposal of one controller to regulate oxygen tissue supply when the tissue endure a systematic disturbance.
I. INTRODUÇÃO
Para manter a homeostase no corpo humano, o suprimento de oxigênio pelo sangue precisa ser adequado para satisfazer as necessidades metabólicas do tecido. Existem vários mecanismos envolvidos na circulação sangüínea, entre eles temos o transporte difusivo, o convectico, a reação entre o oxigênio e a hemoglobina, e o consumo de oxigênio no tecido pelo processo metabólico celular.
Apenas uma pequena quantidade do oxigênio contido no capilar está dissolvido no plasma. Aproximadamente 97% dele está combinado com a hemoglobina contida nos glóbulos vermelhos, formando a oxihemoglobina. A relação entre a concentração de oxigênio dissolvido no plasma e a quantidade de oxigênio associado com a hemoglobina é considerada a capacidade que o sangue possui para oxigenação tecidual. Ao longo de todo o capilar as hemácias liberam o oxigênio, que por sua vez difunde-se no plasma e então para dentro do tecido. No tecido o oxigênio difunde-se em todas as direções através de diferentes estruturas histológicas. A cinética de liberação de oxigênio tem sido muito estudada, tanto a nível teórico como a nível experimental.
Neste trabalho tem-se uma abordagem computacional sobre o comportamento transiente de um sistema dinâmico, visto que na literatura existem diversos estudos referindo-se a este comportamento em estado estacionário. Como objetivo, é proposto um modelo matemático fenomenológico, composto por equações diferenciais parciais no capilar e no tecido, capaz de prever o comportamento do processo de oxigenação para o diversos tecido em condições normais e sob condições adversas, como casos de deficiência de oxigenação. Para validar o modelo matemático proposto neste trabalho, é feita a comparação dos resultados simulados, com dados encontrados na literatura.
O próximo capítulo, capítulo II, contém uma revisão da literatura tratando dos aspectos fenomenológicos fundamentais no processo da circulação sangüínea, incluindo o sistema respiratório, os fluidos de transporte no organismo e transporte dos gases respiratórios. Também neste capítulo temos informações a respeito de
alguns modelos matemáticos apresentados na literatura. O capítulo III traz a proposta do modelo matemático feita neste trabalho, discutindo sua formulação conceitual, as hipóteses envolvidas, a cinética de equilíbrio entre o oxigênio e a hemoglobina, além dos métodos utilizados para a resolução numérica do modelo. Os resultados do modelo proposto e a otimização da constante de consumo de oxigênio no tecido são apresentados e discutidos no capítulo IV, juntamente com a validação do modelo por meio de comparações com dados obtidos da literatura. Já no capítulo V, o modelo é usado para o estudo de dois casos clínicos, oclusão abrupta da circulação por clampeamento e autoregulação do fluxo sangüíneo para atender mudanças bruscas no metabolismo celular. Finalmente, o capítulo VI traz as considerações finais, juntamente com as sugestões para serem realizadas em trabalhos futuros.
II. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O propósito deste capítulo é apresentar uma revisão da literatura sobre os aspectos fenomenológicos do processo da circulação sangüínea através da rede vascular e da reação entre a hemoglobina e o oxigênio. Descreve também os modelos matemáticos sobre este assunto encontrados na literatura.
2.1. Aspectos fenomenológicos
A função do sistema respiratório é, primeiro, fornecer oxigênio para os tecidos e, segundo, remover o gás carbônico. O objetivo da respiração é o de promover, de forma contínua, o movimento de ar para dentro e para fora dos alvéolos pulmonares. Será tratado neste item os aspectos fisiológicos da respiração humana, incluindo uma descrição do sistema respiratório, transporte dos gases respiratórios, estruturas da circulação, aspectos bioquímicos do sangue, formas de transporte dos gases respiratórios e deficiências na oxigenação tecidual.
2.1.1. Circulação sangüínea
O fluxo sanguíneo depende da ação da bomba cardíaca e da convecção pelas artérias, veias e capilares.
O sangue circula no organismo humano transportando oxigênio (sangue arterial) dos pulmões para os tecidos, onde o oxigênio é liberado nos capilares. Ao retornar dos tecidos, o sangue conduz o dióxido de carbono e os demais resíduos do metabolismo celular (sangue venoso) para eliminação destes resíduos através da respiração, do suor, da urina ou das fezes.
2.1.1.1. Sistema respiratório: ar atmosférico e alveolar
O sistema respiratório pode ser representado, simplificadamente, por uma membrana com enorme superfície em que, de um lado existe o ar atmosférico e do outro lado o sangue venoso. Através da membrana, ocorrem as trocas gasosas. A função respiratória se processa mediante três atividades distintas, mas coordenadas: a ventilação, através da qual o ar da atmosfera chega aos alvéolos; a perfusão, processo pelo qual o sangue venoso procedente do coração chega aos capilares dos alvéolos, e a difusão, processo em que o oxigênio do ar contido nos alvéolos passa para o sangue ao mesmo tempo em que o gás carbônico contido no sangue passa para os alvéolos (Lloyd, 1971). A troca gasosa (hematose) acontece através da membrana alveolar, do líquido intersticial contido nos espaços entre alvéolos e capilares, da parede do capilar, do plasma sangüíneo e da membrana dos glóbulos vermelhos. É o sistema respiratório que garante a hematose entre a atmosfera e as células, fornecendo o oxigênio imprescindível à atividade celular e eliminando o dióxido de carbono (CO2) produzido pelo metabolismo celular.
O ar atmosférico é composto de 78,62% de nitrogênio, 20,84% de oxigênio, 0,04% de dióxido de carbono e 0,5% de vapor d’água. O mais importante para este trabalho são as quantidades a nível alveolar, onde realmente é feita a troca gasosa, ou seja, 74,9% de nitrogênio, 13,6% de oxigênio, 5,30% de dióxido de carbono e 6,2% de vapor d’água (Lloyd, 1971). O ar, quando passa pelas passagens aéreas, é imediatamente umedecido pelo vapor d’água, oriundo dos revestimentos dessas passagens. Esse vapor d’água tem o efeito de diluir o ar atmosférico, o que faz com que as pressões de outros gases diminuam um pouco. O ar alveolar perde continuamente oxigênio para o sangue e esse oxigênio é substituído pelo gás carbônico, que se difunde do sangue para os alvéolos. Isso explica, porque a pressão parcial do oxigênio nos alvéolos é menor que no ar atmosférico, como também a maior pressão de dióxido de carbono que no ar atmosférico, onde é quase inexistente.
Os pulmões têm capacidade suficiente para oxigenar até 30 litros de sangue venoso por minuto para suprir o organismo. Como, em condições normais, apenas 4
a 5 litros por minuto circulam pelo coração, verificamos a grande reserva do pulmão humano para as condições de exercício físico (Peirce et al., 1971)
2.1.1.2. Pressão parcial do oxigênio
Do sangue que chega ao átrio esquerdo vindo do pulmão, cerca de 98% passaram pelos capilares alveolares, onde foram oxigenados a ponto de ficarem com uma pressão parcial de oxigênio (PO2) de 104 mmHg. Outros 2% vêm diretamente da aorta através da circulação brônquica, que supre principalmente os tecidos de sustentação dos pulmões: esta parcela não é exposta ao ar alveolar. Este fluxo sangüíneo é composto de sangue shunt, ou seja, sangue que não passou pelas áreas onde ocorrem as trocas gasosas. Ao deixar os pulmões, o sangue shunt tem uma PO2 que é aproximadamente igual à do sangue venoso (cerca de 40 mmHg). Este sangue combina-se nas veias pulmonares com o sangue oxigenado proveniente dos capilares alveolares: esta mistura de sangues, à qual se dá o nome de mistura venosa de sangue, faz com que a PO2 do sangue bombeado pelo ventrículo esquerdo para dentro da aorta, caia para cerca de 95 mmHg (Guyton e Hall, 1997).
A Figura II.1 mostra a variação da pressão arterial no percurso do sangue ao longo do organismo humano.
Figura II.1 – Pressão x Circulação Sistêmica/Pulmonar (Guyton e Hall, 1997)
2.1.1.3. Pressão sangüínea arterial
A pressão arterial depende de vários fatores: parede da artéria, raio arterial, volume sangüíneo, força de ejeção sistólica dos ventrículos e resistência periférica.
O raio do vaso considerado tem o seu valor determinado pela lei de Pouiséuille. Na aorta, o raio é aproximadamente de 1,3 cm e a pressão no seu interior de 100 mmHg, e ao nível das arteríolas o raio é de 4 micrômetros com a pressão de 30 mmHg, ou seja, em proporções, a arteríola apresenta uma tensão aproximadamente 10.000 vezes maior que a aorta, enquanto a aorta tem o raio 3.000 vezes maior que a arteríola (Moore, 1999).
A parede arterial normal apresenta um certo grau de elasticidade variável. A distensibilidade vascular é importante para manter a pressão arterial quase que inalterada, produzir fluxo sangüíneo contínuo para os tecidos e acúmulos de sangue dentro das veias.
2.1.2. Fisiologia sangüínea
O sangue é um tecido que contém uma fase líquida, que corresponde ao plasma, e uma fase sólida, que compreende as células sangüíneas que flutuam no plasma. Os elementos celulares do sangue são: glóbulos vermelhos (eritrócitos), glóbulos brancos (leucócitos) e as plaquetas sanguíneas (Figura II.2).
O plasma é um líquido viscoso que contém 90% de água e várias substâncias dissolvidas, entre elas, albumina (4,5%), globulinas (2%), fibrinogênio (0,3%), glicose (0,1%) e outras substâncias em menor concentração (aminoácidos, hormônios, enzimas, Na+, uréia, etc.).
a
Figura II.2 – a) Células sangüíneas. b) Molécula de hemoglobina com núcleo de Fe e O2 (Bionoticias, 2001)
A função principal das hemácias é o transporte de gases respiratórios através da hemoglobina. Ela transporta o oxigênio dos pulmões para os tecidos e remove grandes quantidades de dióxido de carbono dos tecidos para eliminação nos pulmões.
Na Figura II.3, pode-se observar um vaso sanguíneo arterial (corte longitudinal), onde aparecem os elementos figurados (plaquetas, glóbulos vermelhos e brancos), misturados no plasma sanguíneo.
Figura II.3 Corte longitudinal de um vaso sangüíneo arterial (www.webciencia.com)
2.1.2.1. Quantidade de sangue necessário para os órgãos
O fluxo sangüíneo para cada tecido é geralmente regulado no nível mínimo capaz de suprir suas necessidades. Em tecidos cuja necessidade mais importante consiste no suprimento de oxigênio, o fluxo sangüíneo é sempre controlado num nível apenas ligeiramente superior ao necessário para manter a oxigenação completa do tecido, não mais do que isso. Ao controlar o fluxo sangüíneo local de modo tão eficiente, os tecidos nunca sofrem de deficiência nutricional e ao mesmo tempo, a carga de trabalho sobre o coração é mantida num nível mínimo (Guyton e Hall,1997). A Tabela II.1 traz o fluxo sangüíneo relativo para órgãos e tecidos.
Órgão/Tecidos ml/min Cérebro 700 Coração 200 Brônquios 100 Rins 1.100 Músculo (inativo) 750
Pele (clima fresco) 300
Glândula tireóide 50
Outros tecidos 175
Osso 250 Tabela II.1: Fluxo sangüíneo para cada órgão/tecido (Guyton e Hall, 1997)
Os principais fatores que determinam a maior ou menor quantidade de fluxo sangüíneo para um órgão são:
9 Necessidade de oxigênio aos tecidos 9 Remoção de dióxido de carbono
9 Necessidade de nutrientes, hormônios, etc
A quantidade de capilares sangüíneos é maior onde as necessidades metabólicas são maiores. Por exemplo, a taxa metabólica global da substância cinzenta do cérebro é quatro vezes superior a da substância branca, portanto, o número de capilares é 4 (quatro) vezes maior na substância cinzenta.
Podemos reparar que o conjunto de artérias cerebral assume o formato do cérebro, como mostrado na Figura II.4.
Figura II.4: Rede arterial do cérebro ( Mc Minn e Hutchings, 1982) 2.1.2.2. Fluidos de transporte
O sangue é formado por dois componentes: as células e o líquido entre as células, o plasma. A parte plasmática do sangue difere-se do líquido extracelular por ter uma maior concentração de proteína do que o líquido extracelular nas demais partes do corpo. Estas proteínas elevam a pressão oncótica intravascular e são muito importantes na retenção dos líquidos no interior do sistema circulatório. O líquido intersticial fica por fora dos capilares, entre as células dos tecidos. O volume do líquido intersticial é igual ao volume de todo o líquido extracelular menos o volume do plasma, e para um homem adulto pesando aproximadamente 80 kg equivale a 12 litros (15 l líquido extracelular – 3 l plasma). Usualmente, considera-se que o líquido intersticial inclui, também, os líquidos especiais como os contidos no sistema do
líquido cefalorraquidiano, nas câmaras dos olhos, no espaço intrapleural, na cavidade peritoneal, na cavidade pericárdica e na linfa.
A forma mais importante de transporte de substâncias entre o plasma e o líquido intersticial é por difusão. As substâncias lipossolúveis podem se difundir através das membranas celulares endoteliais, sem ter que passar pelos poros. Já as substâncias hidrossolúveis só podem se difundir pelos poros. Estas substâncias, inclusive as próprias moléculas de água, se difundem muito rapidamente através da membrana capilar. A velocidade com que as moléculas de água se difundem através da membrana do capilar é 80 vezes maior que a velocidade com que a água do plasma flui, linearmente, ao longo do capilar. A permeabilidade do poro à determinada substância vai depender do tamanho da molécula em questão. A largura dos poros é cerca de 20 vezes maior que a molécula de água. À medida que vai aumentando o diâmetro da molécula, a permeabilidade vai diminuindo. Além disso, a permeabilidade dos capilares varia de um tecido para outro e, conseqüentemente, órgãos como fígado e rins possuem capilares mais permeáveis a determinadas substâncias do que, por exemplo, a musculatura esquelética. A intensidade efetiva de difusão através da membrana capilar vai depender da diferença de concentração de certa substância entre o interior do capilar e o líquido extracelular.
Para a maioria das substâncias importantes para o metabolismo celular, apenas uma pequena diferença de concentração já é suficiente para um suprimento eficiente. Além da difusão passiva, dependendo do gradiente de concentração existe um mecanismo de difusão ativa, que envolve consumo de energia, transportadores e lipofilidade da substância, como por exemplo glicose, potássio e antibióticos.
Plasma (mOsm/l de H2O) Intersticial (mOsm/l de H2O) Intracelular (mOsm/l de H2O) Na+ 142 139 14 K+ 4,2 4 140 Ca+ 1,3 1,2 0 Mg+ 0,8 0,7 20 Cl- 108 108 4 HCO3- 24 28,3 10 HPO4-, H2PO4- 2 2 11 SO4- 0,5 0,5 1 Fosfocreatina - - 45 Carnosina - - 14 Aminoácidos 2 2 8 Creatina 0,2 0,2 9 Lactato 1,2 1,2 1,5 ATP - - 5 Monofosfato de hexose 5,6 5,6 3,7 Glicose 1,2 0,2 4 Proteína 4 4 4 Uréia 4,8 3,9 10 Total de (mOsm/l) 301,8 300,8 301,2
Atividade osmolar corrigida,
(mOsm/l) 282 281 281
Pressão osmótica total
(37ºC, mmHg ) 5.443 5.423 5.423
Tabela II.2: Composição relativa dos líquidos corpóreos (Guyton e Hall, 1997) 2.1.2.3. Fluido intersticial
O interstício corresponde ao conjunto de espaço entre as células. Este espaço, possui no seu interior o líquido intersticial, retirado dos capilares por filtração e difusão. Contém quase os mesmos constituintes do plasma. O líquido intersticial encontra-se, em grande proporção, juntamente com os filamentos de proteoglicanos, formando um “gel tecidual”. Assim, este líquido não flui, ao contrário, ele, difunde-se pelo gel tecidual. Cerca de 1% deste líquido está livre e pode fluir livremente ou formar vesículas. Quando ocorre edema, estes fluxos aumentam de forma muito acentuada (Guyton e Hall, 1997).
Devido às curtas distâncias entre os capilares e as células teciduais o transporte através do interstício da água, eletrólitos, nutrientes, excreções celulares, oxigênios, dióxido de carbono e outros, ocorre rapidamente.
2.1.2.4. Efeito da intensidade do metabolismo tecidual sobre a PO2 intersticial
O cérebro é responsável por 15% do metabolismo total, apesar de sua massa representar somente 2% da massa corporal total. Em repouso, é aproximadamente 7,5 vezes maior que o metabolismo do resto do corpo.
Caso as células consumirem mais oxigênio do que o normal para seu metabolismo, isto tenderá a reduzir a PO2 do líquido intersticial. A PO2 do líquido intersticial diminui quando o consumo de oxigênio pelas células aumenta e, ao contrário a PO2 aumenta quando o consumo diminui. Resumindo, a PO2 dos tecidos é determinada pelo equilíbrio entre a quantidade de O2 transportado para os tecidos e seu consumo pelos tecidos.
2.1.3. Transporte de gases respiratórios
O sistema circulatório é formado pelos vasos sangüíneos e pelo coração, que em conjunto, mantêm o fluxo sanguíneo constante. O sangue que é bombeado pelo coração, vindo dos pulmões, é rico em oxigênio e nutrientes. Será levado para o restante do corpo, através de uma rede de dutos, chamadas artérias, e ramos de
menor calibre, as arteríolas. O sangue, pobre em oxigênio e rico em gás carbônico, inicia seu retorno ao coração através de pequenos vasos, as vênulas, as quais vão desembocando em tubos cada vez de diâmetro maiores, as veias. Dentro da maior delas, a veia cava, o fluxo sangüíneo vai para o lado direito do coração, de onde é bombeado para os pulmões. Nos pulmões, passa para minúsculas redes de capilares que circundam os alvéolos pulmonares. Nos alvéolos ocorre a troca de gás carbônico pelo oxigênio, seguindo para o coração esquerdo, de onde é injetado na aorta, a maior de todas as artérias. Esta vai se ramificando dando origem a artérias menores, arteríolas mantendo a circulação sangüínea. As arteríolas e as vênulas são ligadas por uma rede de finíssimos vasos chamados capilares. Nos capilares o oxigênio, nutrientes, hormônios e outras substâncias de comunicação química vão sendo gradualmente cedidos às células. Em troca, o sangue vai recebendo restos do metabolismo celular, como o gás carbônico (Berlinck, 2001).
2.1.3.1. Formas pelas quais o oxigênio é transportado no sangue arterial: dissolvido e ligado à hemoglobina
No sangue, O2 é transportado de dois modos, em solução, dissolvido na água plasmática e em ligação covalente com a Hb, formando oxihemoglobina (HbO2).
Nem toda molécula de O2 reage com Hb. Uma pequena quantidade fica em solução, dissolvido no plasma de acordo com solubilidade do O2 (0,003 ml O2/ 100 ml plasma/mmHg) e com pressão parcial de O2 (PO2). Normalmente, cerca de 97% do oxigênio transportado dos pulmões para os tecidos são carreados em combinação química com a hemoglobina existente nas hemácias. Os 3% restantes são carreados sob a forma de oxigênio dissolvido na água do plasma e das células. Assim, em condições normais, o oxigênio é levado aos tecidos quase que inteiramente pela hemoglobina. No sangue arterial, há 65 vezes mais O2 ligado à hemoglobina do que dissolvido no plasma. O termo conteúdo arterial de O2 (CaO2) refere-se à quantidade de O2 presente no sangue, tanto ligado com a hemoglobina quanto o dissolvido. A saturação da hemoglobina corresponde à quantidade de O2 ligada com a Hb dividido pela capacidade de O2 (Oliveira, 2001).
O sistema de transporte de oxigênio do adulto normal é capaz de transportar pouco mais de 1.000 ml O2/min. Os tecidos utilizam cerca de 250 mlO2/min, permanecendo ainda uma saturação de hemoglobina em torno de 75% no sangue capilar e venoso sistêmico.
2.1.3.2. Utilização de O2 pelas células
Uma vez que o oxigênio tenha se difundido dos alvéolos para o sangue pulmonar, ele é transportado para os capilares dos tecidos e liberado para uso das células. Nas células teciduais, pelos processos metabólicos, o oxigênio reage com vários substratos formando grandes quantidades de dióxido de carbono, sendo este removido das células pelos capilares e transportado de volta aos pulmões. O dióxido de carbono, assim como o oxigênio, também combina-se com substâncias químicas no sangue, aumentando a quantidade transportada em 15 a 20 vezes.
Um fornecimento contínuo de oxigênio é necessário para a integridade e funcionamento normal das células do organismo. Esse oxigênio atua como aceptor final de elétrons na cadeia respiratória mitocondrial, processo acoplado a fosforilação oxidativa que gera ATP (Oliveira, 2001). Essa é a principal via metabólica pela qual o organismo consome oxigênio. O oxigênio está continuamente sendo usado pelas células. Por isso, a PO2 intracelular permanece abaixo da PO2 existente nos capilares.
2.1.3.3. Gradiente de pressão parcial de oxigênio
O ar contém O2 a uma pressão de aproximadamente 159 mmHg. Desde o ar ambiente até a mitocôndria, o O2 passa de uma região para outra por diferença de pressão parcial. No alvéolo, sua pressão é de 104 mmHg. Quando o sangue arterial chega aos capilares dos tecidos periféricos, sua PO2 ainda é de 95 mmHg. Por outro lado, a PO2 do líquido intersticial que circunda as células dos tecidos é, em média, 40 mmHg. Assim, existe inicialmente uma enorme diferença de pressão que faz com que o oxigênio se difunda do sangue para os tecidos tão rapidamente, que a PO2 capilar cai a um valor quase igual aos 40 mmHg existentes no interstício. Em
conseqüência, a PO2 do sangue que deixa os capilares dos tecidos e entra nas veias também é de aproximadamente 40 mmHg. Portanto a PO2 do sangue que entra no capilar pulmonar é de apenas 40 mmHg, visto que grande quantidade de O2 foi removida pela circulação sistêmica. Novamente a PO2 no alvéolo é de 104 mmHg, fornecendo uma diferença de pressão inicial de 64 mmHg, para a difusão do oxigênio ao capilar pulmonar. Quando o sangue venoso atinge aproximadamente 1/3 do comprimento do capilar pulmonar, a sua PO2 já está igual à PO2 do alvéolo. Na extremidade distal do capilar pulmonar a PO2 do sangue é de cerca de 104 mmHg.
A pressão parcial do oxigênio no ar alveolar é maior do que a pressão parcial do oxigênio no sangue venoso, ocorrendo então a difusão do oxigênio dos alvéolos para o sangue dos capilares pulmonares. Nos tecidos, o mecanismo de trocas é semelhante. A pressão parcial do oxigênio nos tecidos é baixa, em relação ao sangue dos capilares arteriais, porque o oxigênio é continuamente utilizado para o metabolismo celular. Este gradiente é responsável pela transferência de oxigênio do sangue dos capilares para os tecidos.
2.1.3.4. Hematose de gás carbônico
As pressões do gás carbônico nos alvéolos e no sangue arterial são consideradas iguais, ou seja, não existe gradiente alvéolo-arterial. O sangue venoso que penetra nos capilares pulmonares absorve continuamente oxigênio do ar alveolar, ao mesmo tempo em que descarrega CO2 para o mesmo ar alveolar; entretanto, a reposição do oxigênio consumido e eliminação do CO2 acrescentado ao ar alveolar (isto é, a renovação do ar alveolar com ar inalado) ocorre apenas de modo intermitente, não contínuo. Sob quaisquer condições fisiológicas, a eliminação de CO2 do sangue produz-se mais facilmente que a captação de O2. A pressão parcial de CO2 (PCO2) alveolar tende a cair, mesmo durante os mais vigorosos exercícios, indicando a eficiência da eliminação do CO2 (Oliveira, 2001).
O dióxido de carbono é transportado pelo sangue para os pulmões sob três formas: forma de gás dissolvido, correspondendo a 7% do total transportado; forma de íon bicarbonato, correspondendo a 70% do total. O bicarbonato é o produto da
reação do dióxido de carbono com a água da hemácia, catalisada pela anidrase carbônica, enzima que acelera a reação cerca de 5.000 vezes. O íons hidrogênio resultante das reações é captado pela hemoglobina e combinando-se com ela, através de uma ligação química facilmente reversível, correspondendo a 23% do total levado aos pulmões.
Quando o O2 é utilizado pelas células, a maior parte dele é transformado em CO2, o que aumenta a PCO2 intracelular. Em conseqüência, o CO2 difunde-se das células para os capilares, sendo então levado pelo sangue para os pulmões. Nos pulmões, o dióxido de carbono difunde-se dos capilares pulmonares para os alvéolos. Assim, em cada ponto da cadeia de transporte de gases, o CO2 difunde-se em sentido exatamente oposto ao do oxigênio. Contudo, existe uma importante diferença entre a difusão do CO2 e a difusão do oxigênio. O CO2 pode difundir-se com velocidade cerca de 20 vezes maior que a do oxigênio. Assim, as diferenças de pressão necessárias para causar a difusão do dióxido de carbono são, em cada ponto, bem menores do que as diferenças de pressão necessárias para provocar a difusão do oxigênio. Essas pressões são as seguintes (Guyton e Hall, 1997):
9 PCO2 intracelular, cerca de 46 mmHg; PCO2 intertiscial, cerca de 45 mmHg; assim, existe uma diferença de pressões de apenas 1 mmHg.
9 PCO2 do sangue arterial que chega aos tecidos, 40 mmHg; PCO2 do sangue venoso que deixa os tecidos, cerca de 45 mmHg; assim o sangue dos capilares teciduais praticamente entra em equilíbrio com a PCO2 intersticial, que também é de 45 mmHg.
9 PCO2 do sangue venoso misto que chega aos capilares pulmonares, de 45 mmHg; PCO2 do ar alveolar, 40 mmHg; assim, apenas uma diferença de 5 mmHg é responsável por toda a difusão de dióxido de carbono dos capilares pulmonares para os alvéolos. Além disso, a PCO2 do sangue capilar pulmonar cai a ponto de tornar-se quase exatamente igual à PCO2 alveolar de 40 mmHg antes que o sangue tenha percorrido mais de um terço, aproximadamente, do comprimento dos capilares.
aFigura II.5 - Troca dos gases respiratórios (www.webciencia.com) .1.4. Estruturas da circulação
sangue, alterando seus diâmetros com facilidade para regula
do oposto. Possuem paredes bem
olume sangüíneo, elas são consideradas o reservatório de sangu
A Figura II.6 mostra um esquema dos vasos sanguíneos, veia, artéria e capilar. 2
O sistema circulatório pode ser analisado em duas partes: circulação periférica e microcirculação. A circulação periférica é um sistema fechado, formado por vasos que transportam o sangue aos tecidos e destes de volta ao coração, para um novo ciclo. Os vasos que constituem este sistema são as artérias, arteríolas, capilares, vênulas e veias. As arteríolas, têm diâmetro interno de menos de 20 µm. Elas podem se ramificar por até cinco vezes, atingindo diâmetro final de 5 a 9 µm. Atuam como válvulas controladoras de
r o fluxo sangüíneo.
As arteríolas se conectam à rede de capilares. Estes são muito finos e permeáveis, possibilitando a troca de líquidos, nutrientes, gases, hormônios, eletrólitos, etc, com os tecidos. Os capilares se unem nas suas partes terminais formando as vênulas, cujo conjunto forma as veias. As veias transportam o sangue para o coração, no mesmo trajeto das artérias, mas em senti
musculares e complacentes (Guyton e Hall, 1997).
As artérias armazenam 13% do sangue total do organismo, os capilares sangüíneos armazenam 7%, as veias e vênulas 64% do sangue. Uma vez que as veias armazenam o maior v
Figura II.6 - Vasos sanguíneos (www.webciencia.com)
A área da seção reta das veias em relação à das artérias é em média 4 vezes a da artéria correspondente, explicando o fato de porque o volume de sangue está armazenado em maior quantidade no sistema venoso. A velocidade do fluxo sangüíneo é inversamente proporcional à área da seção transversal. Em condições normais, a velocidade do sangue é, em média, de 33 cm/s na aorta e nos capilares cerca de 0,3 mm/s. Como os capilares têm 0,3 a 1 mm de comprimento, o sangue permanece por um curto período de tempo, de 1 a 3s (Guyton e Hall, 1997).
Se todos os vasos sistêmicos de um mesmo tipo fossem colocados um ao lado do outro, sua área total da seção transversal teria a área apresentada na Tabela II.2.
Vaso Sangüíneo Área (cm2)
Aorta 2,5 Pequenas artérias 20 Arteríolas 40 Capilares 2.500 Vênulas 250 Veias pequenas 80 Veias cavas 8
A microcirculação diz respeito aos capilares e as partes finais das arteríolas e inicial das vênulas. A arteríola terminal dá origem à metarteríola que origina diversos capilares, que formam uma rede. Como já citado, na extremidade terminal, os capilares reunidos, originam as vênulas. Intercalada entre a metarteríola e a vênula existe uma comunicação artério-venosa (anastomose AV), que permite ao sangue das arteríolas terminais alcançar diretamente o sistema venular sem atravessar os capilares. No início da metarteríola existe um pequeno e denso anel muscular, o esfíncter pré-capilar, cuja contração fecha a entrada de sangue nos capilares. Na porção inicial das vênulas existe uma outra estrutura muscular, chamada esfíncter pós-capilar, cuja contração dificulta a saída do sangue dos capilares. Os esfíncteres desempenham um importante papel na regulação do fluxo de sangue nos capilares. O caminho do sangue na microcirculação depende da necessidade do tecido. Quando a necessidade de oxigênio pelo tecido é diminuída os esfíncteres pré-capilares sofrem constrição para forçar a passagem do sangue pela comunicação artério-venosa. Na situação inversa ocorre a abertura de um grande número de esfíncteres, para irrigar uma maior quantidade de capilares (Guyton e Hall, 1997). A Figura II.7 representa a estrutura da microcirculação.
Figura II.7 - Representação da microcirculação (Souza e Rêgo) 2.1.4.1. Capilares Sangüíneos
Os capilares são estruturas extremamente delgadas, com paredes formadas por uma camada de células endoteliais muito permeáveis e uma membrana basal. A espessura desta parede é aproximadamente 0,5 µm e o diâmetro dos capilares varia
de 4 a 9 µm, suficiente apenas para permitir a passagem espremida dos glóbulos vermelhos e de outras células sangüíneas. É nesta “parede” que ocorrem as trocas de elementos nutritivos e de eliminação entre os tecidos e o sangue circulante. Os capilares têm o comprimento entre 0,3 a 1 milímetro. Em todo o organismo humano, temos de 5 a 10 bilhões de capilares em um adulto, o que corresponde a uma área total de superfície entre 500 a 700 m2, separados um do outro a uma distância entre 20 a 30 µm, permitindo que cada célula tenha um capilar próximo (Guyton e Hall, 1997).
A parede do capilar apresenta pequenos canalículos ou poros que facilitam a passagem do meio externo para o interno de moléculas de água, moléculas hidrossolúveis e a passagem da maioria dos íons. As substâncias solúveis nas gorduras, por exemplo vitaminas, dissolvem-se na membrana capilar e atravessam a sua extensão, sem passar pelos poros. As substâncias podem atravessar as membranas celulares por difusão ou por transporte ativo, sendo que a maior parte das trocas entre as células e o sangue ocorre pelo fenômeno da difusão.
A fenda intercelular é um destes canalículos. Elas são interrompidas periodicamente, por curtas projeções protéicas que mantêm unidas as células endoteliais. As projeções também são interrompidas, o que permite que o líquido passe com facilidade pela fenda. O espaçamento entre as fendas é de aproximadamente 6 a 7 nm de largura. Como as fendas intercelulares só existem nas bordas das células endoteliais, elas em geral não representam mais que 1/1000 da área total da superfície do capilar. Pequenos volumes de plasma ou de líquido extracelular são englobados em uma das faces das células endoteliais formando as vesículas plasmalêmicas diminutas. Algumas dessas vesículas coalescem, formando canais vesiculares que atravessam toda a membrana capilar (Guyton e Hall, 1997).
A permeabilidade dos poros dos capilares varia de acordo com os diâmetros das moléculas de cada substância. As moléculas das proteínas plasmáticas, são maiores que os poros capilares, outras substâncias como os íons de sódio, cloro, glicose e uréia, possuem diâmetros intermediários. A membrana dos capilares apresenta morfologia diferentes para os diferentes tecidos; por isso cada capilar apresenta diferenças extremas em suas permeabilidades.
Nos capilares cerebrais, grande parte das junções entre as células endoteliais é formada porsão junções “fechadas”, que permitem apenas a passagem de moléculas muito pequenas para o tecido cerebral. Isto é, as membranas das células endoteliais vizinhas estão intimamente unidas umas às outras, não apresentando poros entre si, como ocorre na maioria dos outros capilares do corpo. Estas junções fechadas formam a barreira hematencefálica.
2.1.4.2. Membrana alvéolo-capilar
Separando o ar do sangue existe uma “parede”, constituída pela membrana do alvéolo e pela membrana do capilar. Esta parede é chamada membrana alvéolo-capilar, onde ocorre a troca gasosa pelo processo de difusão.
Ao circular pelos capilares da artéria pulmonar, o sangue venoso repleto de gás carbônico e pobre em oxigênio, entra em contato com a membrana alvéolo-capilar, com a passagem de oxigênio do alvéolo para o sangue e de gás carbônico em sentido inverso. O sangue já arteriolizado, isto é carregado de oxigênio, é levado até o coração esquerdo para ser distribuído pela aorta para todo o organismo.
A membrana alvéolo-capilar é extremamente fina e permeável aos gases. Possui uma estrutura constituída por: camada única de células endoteliais, por uma membrana basal do epitélio capilar, pelo espaço intersticial e por uma camada epitelial de revestimento do alvéolo, recoberta por uma película líquida surfactante. Esta estrutura composta de várias camadas é mostrada na Figura II.8. Sua área total é de 70 m2 para um adulto. A camada de sangue que se distribui pelos capilares pulmonares é extraordinariamente fina, da espessura de apenas uma hemácia. As hemácias necessitam ser comprimidas para circular pelos capilares. Desta maneira, a superfície da hemácia é posta em contato direto e mais duradouro com a membrana alvéolo-capilar, favorecendo a hematose, porque o oxigênio e o dióxido de carbono passam por quantidades insignificantes de plasma durante a difusão. A troca gasosa é, portanto, muito rápida, durando em média 0,5 segundo. O ar inspirado, que contém apenas 21% de oxigênio, cede-o às hemácias quase instantaneamente. A enorme superfície disponível para as trocas gasosas permite que em um minuto o
organismo possa captar cerca de 250 ml de oxigênio e eliminar 200 ml de dióxido de carbono.
A facilidade com que os gases atravessam a membrana alvéolo-capilar, ou seja, a velocidade de difusão dos gases, depende da espessura, área de superfície, coeficiente de difusão do gás e a diferença de pressão entre os dois lados da membrana alvéolo-capilar.
Figura II.8 - Esquema da constituição da membrana alvéolo-capilar (Guyton e Hall, 1997)
2.1.4.3. Membrana entre capilar e tecido cerebral: barreira hematencefálica
Muitas substâncias não passam do sangue para os líquidos intersticiais do cérebro, apesar de estas mesmas substâncias passarem facilmente para dentro do líquido intersticial de outras partes do corpo. Isto ocorre porque no cérebro existe a barreira hematencefálica, entre o sangue e o líquido intersticial cerebral. A barreira é altamente permeável à água, dióxido de carbono, oxigênio e a maioria das substâncias lipossolúveis, como o álcool e a maioria dos anestésicos; ligeiramente permeáveis aos eletrólitos, como sódio, cloreto e potássio; e quase totalmente impermeáveis às proteínas plasmáticas e à maior parte das grandes moléculas orgânicas não-lipossolúveis. A barreira hematencefálica freqüentemente
impossibilita a obtenção de concentrações eficazes de drogas terapêuticas para o tratamento de patologias..
A causa da baixa permeabilidade é a maneira pela qual as células endoteliais dos capilares se unem umas as outras, como já foi explicado. Estas são ligadas pelas chamadas junções fechadas.
2.1.5. Fluxo sangüíneo
O fluxo sangüíneo pela circulação corpórea é causado pela pressão nos vasos arteriais, enquanto que a intensidade desse fluxo é determinada pela resistência periférica total em todos os diferentes vasos do corpo.
2.1.5.1. Determinação do fluxo sangüíneo
O fluxo do sangue nos capilares é regulado pelas necessidades locais dos tecidos. O sangue nos capilares não flui num ritmo contínuo, mas como existem inúmeros capilares nos tecidos seu funcionamento global representa uma média (Guyton e Hall, 1997). Os esfíncteres pré-capilares e as metarteríolas contraem-se e relaxam-se alternadamente, em ciclos de 5 a 10 vezes por minuto. O fator que determina o grau de abertura dos esfíncteres é a concentração de oxigênio nos tecidos. Quando a concentração de oxigênio é baixa, os esfíncteres pré-capilares permanecem abertos, aumentando o fluxo de sangue. Quanto maior é a utilização de oxigênio pelos tecidos, tanto maior é o fluxo de sangue pelos seus capilares. A ritmicidade da contração dos esfíncteres é própria e independe dos batimentos cardíacos ou da transmissão da onda de pulso do sistema arterial até a microcirculação (Guyton e Hall, 1997).
O fluxo sangüíneo é determinado pelos:
9 Gradientes de pressão entre o capilar e o tecido 9 Resistência vascular
9 Pressão oncótica
9 Contração muscular, etc.
Da equação matemática abaixo, a pressão arterial (PA) pode ser controlada pelo fluxo multiplicado pela resistência. Como a resistência pode-se pouco alterar, a unidade que podemos influir é o fluxo (Oliveira, 2001).
⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = min ml a Resistênci Arterial Pressão Sangüíneo Fluxo II.1
Este fluxo por sua vez também é chamado de débito cardíaco (DC) sendo determinado pela multiplicação entre o volume sistólico (VS) e a freqüência cardíaca (FC). Se o fluxo (débito cardíaco) é determinado por estas duas variantes, a pressão arterial pode ser regulada se influirmos nestas duas variáveis. Por exemplo, os diuréticos alteram o volume sistólico, logo, diminuem a pressão arterial quando utilizados. Já os bradicárdicos, diminuem a freqüência cardíaca, diminuindo assim, também a pressão arterial (Oliveira, 2001).
a Resistênci Arterial Pressão FC . VS Sangüíneo Fluxo DC= = = II.2
O fluxo sanguíneo no interior dos vasos depende diretamente da pressão arterial e, dentro de certos limites de variação da pressão arterial, o organismo consegue manter o fluxo sangüíneo constante e efetivo. A manutenção de uma pressão arterial adequada é muito importante. Quando muito baixa, o fluxo será insuficiente para nutrir todos os tecidos; por outro lado, uma pressão excessivamente elevada pode, além de sobrecarregar o coração, acelerar o processo de envelhecimento (endurecimento e oclusão) arterial e, pior ainda, aumentar o risco de hemorragias como nos acidentes vasculares cerebrais hemorrágicos (Instituto de Ciências Biológicas – UFMG).
A velocidade do fluxo de sangue que percorre o vaso é inversamente proporcional à resistência. Quanto mais próximo da parede do vaso, menor a velocidade do sangue. A condutância é diretamente proporcional à quarta potência
do diâmetro. Variações pequenas no diâmetro dos vasos alteram significativamente a condutância. Neste caso também, devido à complacência, menor será a velocidade do sangue. Esta relação permite que as arteríolas, principalmente, por sinais neurais ou teciduais regulem o fluxo sangüíneo através de suas paredes elásticas.
2.1.5.2. Efeitos da intensidade do fluxo sangüíneo sobre a PO2 do líquido intersticial
Caso ocorra acréscimo no fluxo sangüíneo através de um determinado capilar tecidual, uma maior quantidade de oxigênio é levada para o tecido correspondente na unidade de tempo; portanto, a PO2 do tecido aumenta. Um aumento de 400% no fluxo sangüíneo aumenta a PO2 tecidual de 40 mmHg para 66 mmHg. Entretanto, o valor mais alto que a PO2 pode alcançar, mesmo em presença de um fluxo sangüíneo máximo, é aproximadamente 95 mmHg, sendo esta a pressão parcial de O2 presente no sangue arterial (Guyton e Hall, 1997).
2.1.5.3. Controle do fluxo sangüíneo
O O2 é um dos nutrientes mais necessários para o metabolismo celular. Quando a disponibilidade de oxigênio para os tecidos diminui, como nas altas altitudes, pneumonia, intoxicação por monóxido de carbono ou na intoxicação por cianeto, o fluxo sangüíneo através dos tecidos aumenta muito.
Existem duas teorias básicas para a regulação do fluxo sangüíneo local quando ocorrem alterações na taxa do metabolismo tecidual ou na disponibilidade de oxigênio: a teoria vasodilatadora e a da demanda de oxigênio. De acordo com a teoria vasodilatadora, quanto maior o metabolismo ou quanto menor a disponibilidade de oxigênio ou de alguns outros nutrientes para determinado tecido, maior a taxa de formação de uma substância vasodilatadora. Algumas das substâncias vasodilatadoras sugeridas incluem adenosina, dióxido de carbono, ácido láctico, compostos de fosfato de adenosina, histamina, íons potássio e íons hidrogênio. A maioria das teorias vasodilatadoras pressupõe que a substância
vasodilatadora seja liberada pelo tecido principalmente em resposta à deficiência de oxigênio (Guyton e Hall, 1997).
Apesar da teoria vasodilatadora ser aceita pela maioria dos fisiologistas, alguns deles preferem a teoria da demanda de oxigênio (ou demanda de nutrientes). O oxigênio é necessário para manter a contração dos músculos vasculares. Por conseguinte, na ausência de suprimento adequado de algum nutrientes, é razoável supor que os vasos sangüíneos irão se dilatar naturalmente. Além disso, quando o tecido usa oxigênio em virtude do aumento do metabolismo, teoricamente, a disponibilidade de oxigênio deve diminuir para os vasos sanguíneos locais, o que também deve causar vasodilatação local.
2.1.5.4. Fluxo cerebral
A parada total do fluxo sangüíneo para o cérebro causa inconsciência dentro de 5 a 10 s. O fluxo sangüíneo cerebral em adultos jovens está entre 50 a 65 ml por 100 g de cérebro por minuto. O cérebro de um adulto médio pesa cerca de 1400 g. Portanto, para o cérebro inteiro é de 750 a 900 ml/min, ou 15% do débito cardíaco total em repouso e 18,5% do consumo de O2 (Guyton e Hall, 1997).
A circulação cerebral é regulada para que o fluxo sangüíneo cerebral total se mantenha constante em diversas situações. O fluxo sangüíneo cerebral total não se altera quando há atividade mental intensa mesmo com modificações no padrão do fluxo. Para isto, o fluxo em cada segmento individual do cérebro se altera rapidamente em resposta a alterações da atividade neural local.
A relação fluxo cerebral versus pressão arterial é muito importante, pois permite que se tenha um fluxo constante, mesmo quando se tem grande variação de pressão. Toda vez que temos aumento da pressão no lado arterial teremos diminuição do lado venoso para que a pressão não se altere. Mesmo quando a pressão arterial média (PAM) varia conseguimos manter o fluxo constante.
A auto-regulação do fluxo cerebral é muito eficiente, mesmo com uma variação da pressão sistêmica entre 80 e 180 mmHg não temos variações
significativas deste devido à ação de substâncias locais produzidas pelo endotélio como peptídeos circulantes, angiotensina II e ação dos nervos vasomotores.
Os vasos cerebrais são comprimidos sempre que a pressão intracraniana se eleva. Qualquer alteração na pressão venosa imediatamente causa alteração similar na pressão intracraniana. Assim, uma elevação na pressão venosa reduz o fluxo sangüíneo cerebral tanto pela redução da pressão efetiva de perfusão quanto pela compressão dos vasos cerebrais. Quando a pressão intracraniana ultrapassa os 33 mmHg por curto período, o fluxo sangüíneo cerebral diminui significativamente e a pressão sangüínea se eleva. Dentro da faixa bastante ampla, a elevação da pressão sangüínea sistêmica é proporcional à elevação da pressão intracraniana, embora acabe sendo atingido um ponto em que a pressão intracraniana excede a pressão arterial e a circulação cerebral cessa. Nas condições onde o mecanismo auto-regulador não consegue produzir compensação suficiente, o controle simpático do fluxo sangüíneo cerebral passa a ser muito importante. Por exemplo, quando a pressão arterial atinge um nível muito elevado durante o exercício extenuante e durante outros estados de atividade circulatória excessiva, o sistema nervoso simpático contrai as artérias grandes e intermediárias, impedindo que as pressões elevadas atinjam os pequenos vasos sangüíneos. Isto é importante na prevenção de ocorrência de hemorragia vascular cerebral e ajuda proteger a barreira hematencefálica da ruptura que de outra forma ela poderia sofrer (Guyton e Hall, 1997). A barreira hematoencefálica é uma barreira seletiva que deixa passar do sangue para o tecido nervoso o oxigênio e os nutrientes, mas não as substâncias que possam danificar os neurônios (Lent, 2001).
Além do controle do fluxo sangüíneo pela concentração tecidual de oxigênio, as concentrações de dióxido de carbono e de íons hidrogênio são importantes. Um aumento de qualquer um deles no sangue arterial provoca dilatação dos vasos cerebrais, permitindo a rápida eliminação do excesso de dióxido de carbono ou de íons hidrogênio. Acredita-se que o dióxido de carbono combina-se inicialmente com a água formando ácido carbônico, com subseqüente dissociação formando íons hidrogênio aumentando assim o fluxo sangüíneo cerebral. Os íons hidrogênio causam então vasodilatação dos vasos cerebrais, sendo a dilatação quase diretamente
proporcional ao aumento da concentração de íons hidrogênio. Uma vez que, o meio ácido deprime muito a atividade neural, esse mecanismo ajuda a manter uma concentração constante de íons hidrogênio nos líquidos cerebrais, e portanto ajuda a manter o nível normal da atividade neural.
2.1.6. Causas de redução na troca de oxigênio
A hipoxemia, insuficiência cardíaca e anemia causam diminuição da pressão parcial de oxigênio no tecido.
Na hipoxemia, a queda na PO2 compromete a oxigenação tecidual por reduzir a troca de O2 e o gradiente de PO2 entre o capilar e os tecidos a serem oxigenados. Já na insuficiência cardíaca, a redução na troca de O2 é causada pela queda do débito cardíaco. A anemia, por sua vez, provoca queda na troca de O2 proporcional à diminuição na quantidade de hemoglobina disponível para o transporte deste.
2.1.6.1. Anemia
Anemia, é uma palavra originária do grego, que significa "privação de sangue". Tem como característica a redução anormal do conteúdo de hemoglobina ou do número de glóbulos vermelhos (concentração de hemoglobina inferior a 0,13g/ml no homem e a 0,12g/ml na mulher). Portanto o sangue não consegue transportar aos tecidos o volume de oxigênio necessário para realizar os processos vitais, ocasionando falta de ar, cansaço fácil e palidez.
Existem diversos casos patológicos que causam anemia. Em alguns, a quantidade de glóbulos vermelhos está reduzida, ou a quantidade de hemoglobina é inferior à normal; em outros, é a forma do glóbulo vermelho que está alterada.
Ela pode ser classificada em três categorias: as pós-hemorrágicas, as hemolíticas e as carenciais.
As principais causas das anemias pós-hemorrágicas são aquelas decorrentes da perda de sangue, que pode ser através de ferimentos, hemorragias causadas por ruptura de vasos sangüíneos, sangramento anormal durante a menstruação ou após
o parto, verminose, etc. Quando o sangramento é súbito e intenso, as hemácias são normais, mas seu número está reduzido na proporção da perda de sangue. Se a hemorragia é pequena, mas constante, a redução na quantidade de hemácias é menor, pois a medula tem tempo de acelerar sua produção de glóbulos vermelhos. Mas estes apressadamente produzidos são pequenos e descorados. A perda sangüínea prejudica sensivelmente o troca gasosa entre os capilares e os tecidos. De maneira geral, o quadro clínico das anemias em virtude de perda sangüínea define-se por fraqueza, fatigabilidade, pele e mucosas sempre pálidas, unhas côncavas, distúrbios digestivos e intestinais, atrofia da mucosa da língua e em alguns casos, levando ao óbito (www.webciencia.com). Nas perdas de sangue volumosas e que ocorrem num espaço de tempo curto, é necessária a transfusão de sangue ou a pessoa pode morrer. Em casos mais brandos, basta corrigir a causa do sangramento e fornecer à pessoa anêmica uma dieta adequada para a formação de novas hemácias.
Nas anemias hemolíticas, um distúrbio interno qualquer ocasiona a destruição dos glóbulos vermelhos. Um tipo de anemia hemolítica é aquele que afeta os recém-nascidos em conseqüência de incompatibilidade sangüínea entre a mãe e filho. Como nas anemias pós-hemorrágicas, também nesse tipo de anemia o número de hemácias está anormalmente reduzido, embora o aspecto das células seja mais ou menos normal (Nigro, 1993).
Já nas anemias carenciais, a quantidade de hemácias pode ser próxima do normal. Mas as células se apresentam com tamanho reduzido e pálidas. A causa dessa anemia é uma dieta alimentar pobre em substâncias como o ferro e a vitamina B12, essenciais à produção de hemoglobina pelo organismo. Para curar é preciso corrigir a deficiência nutricional que causou a doença.
Uma pessoa que apresenta um quadro clínico anêmico, durante a realização de atividade física onde a necessidade de oxigênio pelos tecidos é aumentada, pode vir a sofrer de insuficiência respiratória devido a uma porcentagem inferior de hemoglobina no sangue. Portanto a quantidade de oxigênio transportada será menor, causando a hipoxia fatal tecidual (Guyton e Hall, 1997).
2.1.6.2. Hipoxia
Um dos efeitos mais importantes da maioria das doenças respiratórias é a deficiência de oxigênio ao nível tecidual, chamada de hipoxia. Ela pode ser causada por: pressão parcial reduzida do oxigênio no ar, por anormalidades pulmonares que diminuem a difusão de oxigênio para o sangue pulmonar, pela quantidade diminuída de Hb no sangue, diminuindo o transporte de oxigênio para os tecidos, por incapacidade cardíaca fazendo com que o coração não consiga bombear quantidades adequadas de sangue para os tecidos, e por incapacidade dos tecidos em utilizar o oxigênio, mesmo que ele esteja disponível.
Os quatros tipos principais de hipoxia são a hipoxia hipóxica, estagnante, anêmica e histotóxica. Na hipoxia hipóxica, a PO2 do sangue arterial está reduzida. Essa doença é um problema de indivíduos normais em altitudes elevadas e é uma complicação da pneumonia e várias outras doenças do sistema respiratório. É a forma mais comum de hipoxia observada clinicamente. Uma falha do sistema de troca gasosa e da bomba respiratória causa a doença. Na hipoxia anêmica, a PO2 arterial é normal, mas a quantidade de hemoglobina disponível para transportar o oxigênio está reduzida. Na hipoxia estagnante ou isquêmica o fluxo sangüíneo para um tecido é tão pequeno que não é fornecido oxigênio necessário para o metabolismo celular, apesar da PO2 e da concentração de hemoglobina estarem normais. E na hipoxia histotóxica, a quantidade de oxigênio fornecida a um tecido é adequada, mas, devido à ação de um agente tóxico, as células teciduais não podem utilizar o oxigênio fornecido a elas.
2.2. Reações com o oxigênio
Um glóbulo vermelho contém aproximadamente 280 milhões de moléculas de hemoglobina. Elas dão a coloração vermelha ao sangue e tem a função de transportar
o oxigênio. A hemoglobina exerce forte atração pelas moléculas de oxigênio presente no ar dos pulmões, mantendo-as firmemente presas a si e passando a denominar-se oxihemoglobina (HbO2). Conforme a oxihemoglobina percorre o sistema arterial e chega a regiões de baixa concentração de oxigênio, a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio diminui e esse gás pode ser desprendido da hemoglobina e passar para as células teciduais que necessitam dele para o seu metabolismo. Quando o O2 passa para o tecido, o gás carbônico produzido pelo metabolismo celular, passa para o plasma sangüíneo onde uma grande parte junta-se a moléculas de bicarbonato, formando ácido carbônico, e a outra liga-se às moléculas de hemoglobina passando-se a passando-ser chamada de carboxiemoglobina, que passando-será liberada nos pulmões (Nigro, 1993). 2.2.1. Hemoglobina como transportadora de gases respiratórios
A hemoglobina combina-se reversivelmente com o oxigênio sendo, portanto responsável pelo transporte do oxigênio para os tecidos. Em sua forma desoxigenada, a hemoglobina tem cor azul-escura. Quando a quantidade de hemoglobina ligada com o oxigênio é grande, o sangue toma a coloração vermelha viva do sangue arterial, responsável pela coloração rósea da pele e mucosa. Quando a ligação com o oxigênio existe em pequenas quantidades, a coloração do sangue é vermelha escura, do sangue venoso. A Figura II.9 traz duas moléculas de hemoglobina, uma desoxigenada (azul) e outra oxigenada (vermelha).
A molécula de oxigênio combina-se de modo frouxo com a porção heme da hemoglobina. Quando a PO2 é alta, como nos capilares pulmonares, o oxigênio se liga à hemoglobina, mas quando a PO2 é baixa, como nos capilares dos tecidos, o oxigênio se dissocia da hemoglobina. Este fenômeno constitui a base para quase todo o transporte de oxigênio dos pulmões para os tecidos.
Figura II.9 - Molécula de hemoglobina desoxigenada (azul) e molécula oxigenada (vermelha) (Sant’Anna de Castro e Costa, 2002).
O transporte dos gases respiratórios ocorre graças às propriedades únicas da molécula de Hb. A capacidade de oxigenação dos tecidos pelo sangue está relacionada ao número de glóbulos vermelhos circulantes e à quantidade de Hb que ela contém. No adulto normal, cada 100 ml de sangue contém aproximadamente 15 g de Hb. Graças a ela, o sangue é capaz de transportar mais de 20 ml de O2 e 60 ml de CO2 em cada 100 ml de sangue, em combinações químicas que se dissociam rapidamente em decorrência de pequenas alterações nas pressões parciais desses gases.
Caso não houvesse a hemoglobina, os gases respiratórios teriam que ser transportados dissolvidos na água plasmática. A quantidade de oxigênio que pode dissolver na água plasmática a 37 ºC, numa PO2 normal de 100 mmHg, é de apenas 0,3 ml em cada 100 ml. Nesta situação um débito cardíaco normal de 5 l/min levaria apenas 15 ml de O2/min aos tecidos, insuficientes para um consumo mínimo de 250 ml/min.
Para que este meio de transporte atendesse às demandas celulares, seria necessária uma PO2 extremamente elevada, superior a 3.000 mmHg; sob essas pressões de oxigênio todas as células do organismo seriam imediatamente oxidadas pelo oxigênio altamente reativo. Portanto, a Hb não apenas aumenta a capacidade de transporte de oxigênio como torna desnecessárias elevadas pressões de O2.
A eliminação do gás carbônico é menos problemática. O CO2 é 21 vezes mais solúvel no plasma que o O2, e difunde rapidamente pelos fluidos corporais numa velocidade 20 vezes maior que o oxigênio. Apesar disso, a hemoglobina é essencial para a correta eliminação do gás carbônico nos pulmões.
2.2.1.1. Formas da hemoglobina
A configuração química da hemoglobina permite um aproveitamento excepcional. Cada molécula pode transportar quatro moléculas de oxigênio. É facilmente reversível, o que facilita a sua captação nos capilares pulmonares e a sua liberação nos capilares dos tecidos. A Hb é formada pela união de radical heme com uma proteína, chamada globina. Cada molécula de Hb contém quatro moléculas de radical heme, cada qual contendo um anel de protoporfirina e um íon ferroso (Fe+2) e dois pares de cadeia de polipeptídios que se enovelam, de modo a dar uma forma esférica à hemoglobina. A porção polipeptídica da molécula de hemoglobina normal do adulto é composta por 4 cadeias de aminoácidos: 2 cadeias alfa e 2 cadeias beta. A seqüência desses aminoácidos é extremamente importante para determinar as propriedades da hemoglobina. A hemoglobina tem peso molecular aproximado de 64.725 Daltons. Uma molécula de Hb tem, ao todo, 10.000 átomos, dos quais apenas 4 são de ferro.
Os glóbulos vermelhos apresentam-se na forma discoidal e bicôncava. Esta forma padrão pode mudar drasticamente ao passar pelos capilares.
2.2.1.2. Quantidade de oxigênio transportado
No sangue normal, com a saturação de 97%, a quantidade total de oxigênio combinado com a hemoglobina é cerca de 19,4 ml para cada 100 ml de sangue. Com a passagem do sangue pelos capilares dos tecidos, esta quantidade diminui, em média, para 14,4 ml de sangue (o que corresponde a uma PO2 de 40 mmHg e a uma saturação hemoglobínica de 75%). Assim, em condições normais, cerca de 5 ml de oxigênio são transportados para os tecidos em cada 100 ml de sangue. Quando a PO2
arterial tem o valor normal de 100 mmHg, cerca de 0,29 ml de oxigênio acham-se dissolvidos em cada decilitro de água contida no sangue. Por outro lado, quando a PO2 do sangue cai para 40 mmHg nos capilares dos tecidos, apenas 0,12 ml de oxigênio permanecem dissolvidos. Em outras palavras, cada decilitro de sangue transporta para os tecidos 0,17 ml de oxigênio sob forma dissolvida. Este valor deve ser comparado com os quase 5 ml transportados pela hemoglobina. Um grama de Hb pode transportar 1,34 ml de oxigênio, aumentando em muito a capacidade de transporte de oxigênio pelo sangue. Como em cada 100 ml de sangue existem cerca de 15 g de Hb, a capacidade de transporte de oxigênio pelo sangue arterial pode ser calculada pela equação seguinte: (Guyton e Hall, 1997):
15 gHb x 1,34 mlO2 = 20 mlO2/100 mlsangue
Quando respiramos ar ambiente, a quantidade de oxigênio carreada pelo sangue corresponde a 20 ml/100 ml de sangue. Quando respiramos oxigênio a 100%, a quantidade total carreada se eleva para apenas 22,2 ml/100 ml. O grau de saturação depende da PO2.
Ao contrário do plasma, a hemoglobina não se combina com o oxigênio de um modo linear conforme o aumento da PO2 e sim conforme determinado pelas características da sua molécula, definidas pela curva de dissociação da oxihemoglobina.
A quantidade de oxigênio disponível para o organismo é determinada pelo seu conteúdo no sangue e pelo débito cardíaco. O conteúdo de oxigênio no sangue é determinado pelos seguintes fatores: saturação de hemoglobina, número de moléculas de hemoglobina disponíveis para transportar oxigênio e a pressão parcial do oxigênio dissolvido no plasma. O oxigênio dissolvido tem pouca importância na determinação da quantidade total disponível no sangue.
