O sistema respiratório: estrutura e funcionamento

O sistema respiratório humano consiste no trato respiratório (superior e inferior) e nos pulmões. O sistema respiratório é responsável pelas trocas gasosas entre o organismo e o meio ambiente. Como o sistema respiratório é construído e como funciona?

Supõe-se que o sistema respiratório humano permite a respiração - o processo de troca gasosa, ou seja, oxigênio e dióxido de carbono, entre o corpo e o meio ambiente. Cada célula do nosso corpo precisa de oxigênio para funcionar corretamente e gerar energia. O processo de respiração é dividido em:

• respiração externa - trazendo oxigênio para as células
• respiração interna - intracelular

A respiração externa ocorre devido à sincronização do sistema respiratório com os centros nervosos e é dividida em uma série de processos:

• ventilação pulmonar
• difusão de gás entre o ar alveolar e o sangue
• transporte de gases através do sangue
• difusão de gás entre o sangue e as células

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Estrutura do sistema respiratório

O trato respiratório consiste em:

• o trato respiratório superior, ou seja, a cavidade nasal (nosso cavum) e garganta (faringe)
• trato respiratório inferior: laringe (laringe), traqueia (traquéia), brônquio (brônquios) - direita e esquerda, que são divididos em ramos menores, e os menores se transformam em bronquíolos (bronquíolos)

A parte final das vias aéreas leva aos alvéolos (alvéolos pulmonales) O ar inalado que passa pelo trato respiratório é limpo de poeira, bactérias e outras pequenas impurezas, hidratado e aquecido. Por outro lado, a estrutura dos brônquios, através da combinação dos elementos cartilaginosos, elásticos e musculares lisos, permite ajustar o seu diâmetro. A garganta é onde os sistemas respiratório e digestivo se cruzam. Por isso, ao engolir, a respiração pára e a via aérea se fecha pela epiglote.

• pulmões - órgãos emparelhados localizados no tórax.

Em termos anatômicos e funcionais, os pulmões são divididos em lóbulos (o pulmão esquerdo em dois lóbulos e o direito em três), os lóbulos são divididos em segmentos, segmentos em lóbulos e lóbulos em grupos.

Cada pulmão é cercado por duas camadas de tecido conjuntivo - a pleura parietal (pleura parietal) e pleura pulmonar (pleura pulmonalis) Entre eles está a cavidade pleural (cavum pleurae), e o líquido nele permite a adesão do pulmão coberto pela pleura pulmonar à pleura parietal fundida com a parede interna do tórax.No local onde os brônquios entram nos pulmões, existem as cavidades pulmonares, nas quais, além dos brônquios, também as artérias e as veias pulmonares.
Além disso, os músculos esqueléticos estriados, o sistema sanguíneo e cardiovascular e os centros nervosos estão envolvidos no complicado processo respiratório.

Ventilação pulmonar

A essência da ventilação é atrair o ar atmosférico para os alvéolos. Como o ar sempre flui da pressão mais alta para a pressão mais baixa, os grupos de músculos apropriados participam de cada inspiração e expiração, possibilitando os movimentos de sucção e pressão do tórax.

No final da expiração, a pressão nos alvéolos é igual à pressão atmosférica, mas conforme você inspira o ar, o diafragma se contrai (diafragma) e músculos intercostais externos (musculi intercostales externi), graças ao qual o volume do peito aumenta e cria um vácuo que suga o ar.

Quando a demanda por ventilação aumenta, músculos inspiratórios adicionais são ativados: os músculos esternocleidomastóideos (musculi esternocleidomastoidei), músculos peitorais (musculi peitoral menor), músculos dentados anteriores (musculi serrati anteriores), músculos trapézios (musculi trapezia), os músculos elevadores da omoplata (musculi levatores escápulas), músculos paralelogramo maior e menor (musculi rhomboidei maiores and minores) e músculos oblíquos (musculi fundido).

O próximo passo é expirar. Ele começa quando os músculos inspiratórios relaxam no pico da inspiração. Normalmente, este é um processo passivo, pois as forças geradas pelos elementos elásticos alongados no tecido pulmonar são suficientes para o tórax diminuir de volume. A pressão alveolar sobe acima da atmosférica e a diferença de pressão resultante remove o ar para o exterior.

A situação é ligeiramente diferente ao expirar fortemente. Estamos lidando com isso quando o ritmo respiratório é lento, quando a expiração exige a superação do aumento da resistência respiratória, por exemplo, em algumas doenças pulmonares, mas também na atividade de fonação, especialmente ao cantar ou tocar instrumentos de sopro. Os motoneurônios dos músculos expiratórios são estimulados, que incluem: músculos intercostais internos (musculi intercostales interni) e os músculos da parede abdominal anterior, especialmente os retos abdominais (músculos retos abdominais).

Frequência respiratória

A frequência respiratória é altamente variável e depende de muitos fatores diferentes. Um adulto em repouso deve respirar 7-20 vezes por minuto. Os fatores que levam a um aumento na taxa de respiração, tecnicamente conhecidos como taquipneia, incluem exercícios, doenças pulmonares e dificuldade respiratória extrapulmonar. Por outro lado, a bradipneia, ou seja, uma diminuição significativa no número de respirações, pode resultar de doenças neurológicas ou efeitos colaterais centrais de drogas narcóticas. As crianças diferem dos adultos neste aspecto: quanto menor for a criança, maior será a frequência respiratória fisiológica.

Volumes e capacidades pulmonares

• TLC (capacidade pulmonar total) - o volume que está no pulmão após a respiração mais profunda
• IC - capacidade inspiratória - puxado para os pulmões durante a inspiração mais profunda após uma expiração calma
• IRV (volume de reserva inspiratório) - volume de reserva inspiratório - puxado para os pulmões durante a respiração máxima feita no topo da inspiração livre
• TV (volume corrente) - volume corrente - inspirado e expirado enquanto inspira e expira livremente
• CRF - capacidade residual funcional - permanece nos pulmões após uma expiração lenta
• ERV (volume de reserva expiratório) - volume de reserva expiratório - removido dos pulmões durante a expiração máxima após inalação livre
• RV (volume residual) - o volume residual - permanece nos pulmões sempre durante a expiração máxima
• VC (capacidade vital) - capacidade vital - removido dos pulmões após inspiração máxima na expiração máxima
• IVC (capacidade vital inspiratória) - capacidade vital inspirada - puxada para os pulmões após a expiração mais profunda na inspiração máxima; pode ser ligeiramente superior ao VC porque na expiração máxima seguida pela inspiração máxima, os condutores alveolares fecham antes que o ar que enche as bolhas seja removido

Com inspiração livre, o volume corrente é de 500 mL. Porém, nem todo esse volume chega aos alvéolos. Cerca de 150 mL preenche o trato respiratório, que não apresenta condições para trocas gasosas entre o ar e o sangue, ou seja, a cavidade nasal, garganta, laringe, traqueia, brônquios e bronquíolos. Isso é chamado espaço morto respiratório anatômico. Os 350 mL restantes são misturados com ar constituindo a capacidade funcional residual, simultaneamente aquecidos e saturados com vapor d'água. Nos alvéolos, novamente, nem todo o ar é gasoso. Nos capilares das paredes de alguns folículos, há nenhum ou muito pouco sangue fluindo para usar todo o ar nas trocas gasosas. Este é o espaço morto respiratório fisiológico e é pequeno em pessoas saudáveis. Infelizmente, pode aumentar significativamente em estados de doença.

A frequência respiratória média em repouso é de 16 por minuto, e o volume corrente é de 500 mL, multiplicando esses dois valores, obtemos a ventilação pulmonar. Disto se segue que cerca de 8 litros de ar são inalados e exalados por minuto. Durante respirações rápidas e profundas, o valor pode aumentar significativamente, mesmo de uma dúzia a vinte vezes.

Todos esses parâmetros complicados: capacidades e volumes foram introduzidos não apenas para nos confundir, mas têm uma aplicação significativa no diagnóstico de doenças pulmonares. Existe um teste - espirometria, que mede: CV, VEF1, VEF1 / CV, CVF, IC, TV, ERV e IRV. É essencial para o diagnóstico e monitoramento de doenças como asma e DPOC.

Difusão de gás entre o ar alveolar e o sangue

Os alvéolos são a estrutura básica que constitui os pulmões. Existem cerca de 300-500 milhões deles, cada um com um diâmetro de 0,15 a 0,6 mm, e sua área total é de 50 a 90 m².

As paredes dos folículos são constituídas por um epitélio fino, plano e de camada única. Além das células que compõem o epitélio, os folículos contêm dois outros tipos de células: macrófagos (células do intestino) e também células foliculares do tipo II que produzem o surfactante. É uma mistura de proteínas, fosfolipídios e carboidratos produzidos a partir dos ácidos graxos do sangue. Ao reduzir a tensão superficial, o surfactante evita que os alvéolos se colem e reduz as forças necessárias para esticar os pulmões. Do lado de fora, as bolhas são cobertas por uma rede de capilares. Os capilares que chegam aos alvéolos carregam sangue rico em dióxido de carbono, água, mas com uma pequena quantidade de oxigênio. Em contraste, no ar alveolar, a pressão parcial do oxigênio é alta e a do dióxido de carbono é baixa. A difusão do gás segue um gradiente de pressão molecular do gás, de modo que os eritrócitos capilares capturam o oxigênio do ar e eliminam o dióxido de carbono. As partículas de gás devem passar através da parede alveolar e da parede capilar, nomeadamente através: da camada de fluido que cobre a superfície alveolar, epitélio alveolar, membrana basal e endotélio capilar.

Transporte de gases pelo sangue

• transporte de oxigênio

Primeiro, o oxigênio se dissolve fisicamente no plasma, mas depois se difunde através do envelope para as células vermelhas do sangue, onde se liga à hemoglobina para formar a oxiemoglobina (hemoglobina oxigenada). A hemoglobina desempenha um papel muito importante no transporte de oxigênio, pois cada uma de suas moléculas se combina com 4 moléculas de oxigênio, aumentando assim a capacidade do sangue de transportar oxigênio em até 70 vezes. A quantidade de oxigênio transportado dissolvido no plasma é tão pequena que é irrelevante para a respiração. Graças ao sistema circulatório, o sangue saturado de oxigênio atinge todas as células do corpo.

• transporte de dióxido de carbono

O dióxido de carbono dos tecidos entra nos capilares e é transportado para os pulmões:

• aproximadamente 6% fisicamente dissolvido no plasma e no citoplasma dos eritrócitos
• aproximadamente 6% ligado a grupos amino livres de proteínas plasmáticas e hemoglobina (como carbamatos)
• a maioria, ou seja, cerca de 88%, como íons HCO3 - ligados pelo sistema tampão de bicarbonato do plasma e eritrócitos

Difusão de gás entre o sangue e as células

Mais uma vez, as moléculas de gás nos tecidos passam ao longo do gradiente de pressão: o oxigênio liberado da hemoglobina se difunde para os tecidos, enquanto o dióxido de carbono se difunde na direção oposta - das células para o plasma. Devido às diferenças na demanda de oxigênio dos diferentes tecidos, também existem diferenças na tensão de oxigênio. Em tecidos com metabolismo intenso, a tensão de oxigênio é baixa, portanto, eles consomem mais oxigênio, enquanto o sangue venoso de drenagem contém menos oxigênio e mais dióxido de carbono. A diferença arteriovenosa no conteúdo de oxigênio é um parâmetro que determina o grau de consumo de oxigênio pelos tecidos. Cada tecido recebe sangue arterial com o mesmo conteúdo de oxigênio, enquanto o sangue venoso pode conter mais ou menos.

Respiração interna

Respirar no nível celular é um processo bioquímico de múltiplos estágios que envolve a oxidação de compostos orgânicos nos quais é produzida energia biologicamente útil. É um processo fundamental que ocorre mesmo quando outros processos metabólicos são interrompidos (os processos alternativos anaeróbicos são ineficientes e de importância limitada).

O papel fundamental é desempenhado pelas mitocôndrias - organelas celulares, que recebem moléculas de oxigênio que se difundem no interior da célula. Na membrana externa da mitocôndria estão todas as enzimas do Ciclo de Krebs (ou o ciclo dos ácidos tricarboxílicos), enquanto na membrana interna existem enzimas da cadeia respiratória.

No ciclo de Krebs, açúcar, proteína e metabólitos de gordura são oxidados a dióxido de carbono e água com a liberação de átomos de hidrogênio ou elétrons livres. Mais adiante na cadeia respiratória - o último estágio da respiração intracelular - pela transferência de elétrons e prótons para transportadores subsequentes, compostos de fósforo de alta energia são sintetizados. O mais importante deles é o ATP, ou seja, adenosina-5'-trifosfato, um transportador universal de energia química usado no metabolismo celular. É consumido por inúmeras enzimas em processos como biossíntese, movimento e divisão celular. O processamento de ATP em organismos vivos é contínuo e estima-se que a cada dia o homem converta a quantidade de ATP comparável ao seu peso corporal.

Regulação da respiração

No núcleo estendido, existe um centro respiratório que regula a frequência e a profundidade da respiração. É composto por dois centros com funções opostas, formados por dois tipos de neurônios. Ambos estão localizados dentro da formação reticular. No núcleo solitário e na parte anterior do nervo vago ambíguo posterior está o centro inspiratório, que envia impulsos nervosos para a medula espinhal, para os neurônios motores dos músculos inspiratórios. Em contraste, no núcleo ambíguo do nervo vago e na parte posterior do nervo vago ambíguo posterior, existe o centro expiratório, que estimula os neurônios motores dos músculos expiratórios.

Os neurônios do centro de inspiração enviam uma saraivada de impulsos nervosos várias vezes por minuto, que correm ao longo do ramo que desce até os neurônios motores da medula espinhal e ao mesmo tempo que o ramo do axônio que sobe até os neurônios da formação reticular da ponte. Existe um centro pneumotáxico que inibe o centro inspiratório por 1-2 segundos e então estimula o centro inspiratório novamente. Graças a sucessivos períodos de estimulação e inibição do centro inspiratório, a ritmicidade das respirações é garantida.
O centro inspiratório é regulado por impulsos nervosos que surgem em:

• quimiorreceptores do glomérulo cervical e aórtico, que respondem a um aumento na concentração de dióxido de carbono, concentração de íons hidrogênio ou uma diminuição significativa na concentração de oxigênio arterial; os impulsos dos aglomerados aórticos viajam através dos nervos glossofaríngeo e vago. e o efeito é acelerar e aprofundar as inalações
• interorreceptores do tecido pulmonar e proprioreceptores torácicos;
• entre os músculos lisos brônquicos existem mecanorreceptores de inflação, eles são estimulados pelo alongamento do tecido pulmonar, que desencadeia a expiração; então, reduzindo o estiramento do tecido pulmonar durante a expiração, ativa outros mecanorreceptores, desta vez deflacionários, que disparam a inspiração; Esse fenômeno é denominado reflexos de Hering-Breuer;
• A posição inspiratória ou expiratória do tórax irrita os respectivos propriorreceptores e modifica a frequência e a profundidade das respirações: quanto mais profunda a inspiração, mais profunda a expiração que a segue;
• centros dos níveis superiores do cérebro: o córtex cerebral, sistema límbico, o centro de termorregulação no hipotálamo