Universidade Federal Rural de Pernambuco

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1 Universidade Federal Rural de Pernambuco Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal Área de Biofísica Respiração e Excreção Prof. Romildo Nogueira 1. Introdução Os animais precisam de oxigênio para manutenção dos processos metabólicos que lhes garantem a vida. Esse gás é retirado da atmosfera ou de líquidos nos quais está dissolvido. Por outro lado, as reações bioquímicas que se passam nos diversos compartimentos dos animais, resulta uma constante produção de gás carbônico, cuja eliminação é necessária para o equilíbrio do meio interno. Os animais mais evoluídos desenvolveram órgãos especiais- os pulmões- a fim de promover a troca entre o oxigênio e o gás carbônico. Outros animais, como por exemplo, os insetos apresentam um sistema mais simples de tubos respiratórios e os peixes, brânquias. Esquema geral do sistema respiratório Este sistema é constituído de dois compartimentos, um aéreo e um líquido e três paredes, duas que individualiza cada um dos compartimentos e uma terceira que separa todo sistema do exterior e do resto do organismo. O espaço aéreo é constituído pela luz das vias aéreas e o compartimento líquido é constituído pelas cavidades pleurais. As vias aéreas são constituídas pela traquéia que se bifurca nos brônquios que posteriormente se ramificam em bronquíolos, ductos alveolares e finalmente em alvéolos. A membrana dos alvéolos sofre invaginações, e isto facilita a troca gasosa nessas estruturas. Uma das paredes, a parede pulmonar, separa o compartimento alveolar do pleural, e é formada pelos diversos tecidos dos pulmões e pelas vísceras das pleuras. Esta intrincada estrutura contém o sistema circulatório pulmonar. A parede pulmonar é elástica e tende a se retrair e expulsar o ar

2 contido no compartimento alveolar.outra parede delimita as vias aéreas e a terceira é a parede torácica, nome com o qual se designa o conjunto de estruturas que intervem na sua constituição (pele, tecido celular subcutâneo, arcos costais, esterno, clavículas, coluna dorsal, ligamentos, músculos, pleura parietal, vasos e nervos). É uma estrutura elástica que, em combinação com os movimentos do diafragma, promove as variações de volume da cavidade do tórax. Esta parede separa a cavidade pleural do exterior. 2. A mecânica da respiração Expansão pulmonar e pressão pleural Os pulmões permanecem expandidos por causa da pressão pleural que, durante as pausas compreendidas entre a expiração e a inspiração é de 2 cm H 2 O a 5 cm H 2 O. As forças do espaço pleural equilibram as forças elásticas intrapulmonares que tendem a promover o colapso do órgão. Assim, durante as pausas respiratórias, a pressão intra-alveolar (ou intrapulmonar) é igual à pressão atmosférica. Não havendo gradiente de pressão, o fluxo de ar nas vias aéreas é, nesses instantes, nulo. Na inspiração, o volume da cavidade torácica aumenta, reduzindo a pressão pleural, que passa a variar entre - 4 cm H 2 O e 8 cm H 2 O. O aumento da pressão negativa no espaço pleural reduz a pressão alveolar e promove, assim, a entrada de ar pelas vias aéreas, enchendo os pulmões. Em situações de exercício ou de doença obstrutivas, a pressão pleural pode alcançar valores muito negativos, podendo chegar a 135 cm H 2 O. Na expiração, a compressão exercida pela parede torácica e pelos músculos do abdômen eleva a pressão pleural para valores menos negativos (- 2 a 4 cm H 2 O) ou para valores ligeiramente positivos, quando a expiração é forçada. Os músculos expiratórios abdominais são ativados quando a resistência ao fluxo está aumentada ou quando a ventilação pulmonar ultrapassa 400 ml / min. Eles também se manifestam na tosse, no espirro e no vomito. Durante a expiração, o aumento da pressão pleural favorece as forças de colapso pulmonar. O aumento da pressão pleural produz um aumento da pressão intra-alveolar, fazendo com que o ar dos pulmões seja expulso.

3 Freqüência respiratória A respiração é um processo rítmico. A freqüência dos ciclos respiratórios, no entanto, varia com a idade, com o exercício e se altera em alguns estados patológicos. Entre 0 e 1 ano de idade um indivíduo tem uma freqüência respiratória de 44 ciclos / min., entre 15 e 20 tem uma freqüência de 20 ciclos / min e entre 30 e 50 anos 18 ciclos / min. Volumes pulmonares O volume de ar nos pulmões na posição expiratória terminal normal de repouso é denominado capacidade residual funcional (CRF). O volume de ar que é inalado durante a inspiração e que deixa os pulmões durante a expiração é o volume corrente (VC). O volume máximo de ar que pode entrar nos pulmões a partir da capacidade residual funcional é denominado capacidade inspiratória (CI). A capacidade inspiratória é formada pelo volume corrente mais o volume de reserva inspiratório (VRI). O volume de ar contido nos pulmões no final de uma inspiração máxima é a capacidade pulmonar total (CPT). O volume máximo de ar que pode ser eliminado, com esforço, a partir da capacidade residual funcional (isto é, após o término de uma expiração passiva) é o volume de reserva expiratório (VRE). O volume de ar que permanece nos pulmões após um esforço expiratório desse tipo é o volume residual (VR). A capacidade vital (CV) é o volume máximo de ar que pode ser eliminado após uma inspiração máxima; representa a diferença entre a capacidade pulmonar total e o volume residual. Propriedades elásticas do pulmão: relações volume-pressão As relações volume pressão descrevem as propriedades elásticas do pulmão. Na prática, as medidas das relações volume-pressão em seres humanos são feitas em condições estáticas, quando o fluxo aéreo é temporariamente interrompido em volumes pulmonares sucessivos, durante a seqüência da expiração, a partir da capacidade pulmonar total. Para cada volume pulmonar, é determinada a pressão transpulmonar, pela diferença entre a pressão alveolar e a pleural. A pressão pleural é determinada

4 indiretamente medido-se a pressão no esôfago ( pressão pleural). Quando cessa o fluxo aéreo ao longo da árvore traqueobrônquica, a pressão alveolar iguala a pressão ao nível da boca, pois não ocorrem perdas resistivas de pressão. A elasticidade do pulmão pode ser medida pela complacência pulmonar, ou seja a capacidade que os corpos ocos elásticos possuem de aumentar de volume quando submetidos a uma determinada pressão. Essa grandeza varia inversamente com a constante elástica do corpo, de modo que, quanto maior for a sua constante menor será a complacência do sistema. Formalmente, a complacência pulmonar é definida como o quociente entre a variação de volume pulmonar ( V pulmonar ) e a pressão transpulmonar( P transpulmonar ), ou seja: C = V pulmonar / P transpulmonar Por exemplo, se um aumento de pressão de 2 cm H 2 O produz uma elevação de volume de 350 cm 3 a complacência do sistema é C = 0,350 l / 2 cm H 2 O = 0,175 l / cm H 2 O. A complacência pulmonar é máxima para volumes pulmonares baixos, porém diminui progressivamente ao se aproximar da capacidade pulmonar total. A complacência pode ser determinada pela sua derivada em cada ponto da curva, ou seja pela inclinação do gráfico em cada ponto da curva. Esta diminuição da complacência indica que se faz necessária maiores elevações de pressões para produzir uma determinada mudança de volume. Uma outra grandeza bastante importante para caracterizar a elasticidade do pulmão é a distensibilidade (Ds), que é definido pela razão entre a complacência e a capacidade funcional residual (CFR), ou seja Ds = C / CFR. Um adulto tem uma complacência em torno de 165 ml / cm H 2 O enquanto um lactante tem somente cerca de 5,5 ml / cm H 2 O. Isto, contudo não quer dizer que o adulto tem um pulmão mais elástico que o lactante, por que enquanto o CFR do adulto é 3450 ml a do lactante é somente 80 ml. Desta forma, a distensibilidade (Ds) do pulmão do adulto é 0,048 (cm H 2 O) -1 enquanto do lactante é 0,069 (cm H 2 O) -1, ou seja o pulmão do lactante é mais distensível que o do adulto.

5 As propriedades elásticas dos pulmões dependem das características físicas dos tecidos pulmonares e da tensão superficial da película que reveste as paredes alveolares. A elasticidade do tecido pulmonar tem origem nas fibras de elastina e de colágeno, nas paredes alveolares, nos bronquíolos e nos capilares pulmonares. Enquanto as fibras de elastina podem ser distendidas até aproximadamente o dobro do seu comprimento de repouso, as fibras de colágeno resistem ao estiramento e agem sobretudo no sentido de limitar qualquer expansão adicional nos volumes pulmonares elevados. Os pulmões se expandem durante a respiração por desdobramento e rearranjo geométrico das fibras nas paredes alveolares. Esse processo é análogo ao modo como é estirada uma meia de náilon, sem grande mudança no comprimento de cada fibra. Mudanças na disposição e nas propriedades físico-químicas das fibras de elastina e de colágeno nos pulmões são responsáveis pela maior distensibilidade dos pulmões com o passar dos anos. Os processos patológicos também podem alterar a distensibilidade pulmonar. O enfisema, caracterizado por degradação do arcabouço de elastina e colágeno, bem como por destruição das paredes alveolares, faz aumentar acentuadamente a distensibilidade dos pulmões. Para qualquer volume pulmonar, a retração elástica do pulmão, determinada a partir da pressão transpulmonar, é subnormal e, assim sendo, qualquer alteração da pressão transpulmonar produz grande alteração no volume pulmonar. Inversamente, a fibrose pulmonar, que consiste em aumento dos tecidos intersticiais do pulmão, produz enrijecimento do pulmão. Para qualquer volume pulmonar, a retração elástica é maior que a do pulmão normal. Assim sendo, determinada mudança da pressão transpulmonar produz alteração menor que a normal no volume pulmonar. Na secção anterior foi mostrada a contribuição das forças decorrentes das características física-químicas dos tecidos pulmonares nas propriedades elásticas dos pulmöes. Nesta secção será a analisada a contribuição das forças superficiais, que agem na interface ar surfactante (película líquida que reveste o interior das paredes dos alvéolos) na elasticidade dos pulmões. O surfactante é um material produzido por uma célula epitelial especializada da parede alveolar (pneumócito granular tipo II). O surfactante consiste em dipalmitoil lecitina (fosfolipídio com propriedade detergente) conjugado a

6 uma proteína. O surfactante possui inúmeras características importantes. Primeiro, a tensão superficial do surfactante é muito baixa. Isso minimiza as forças superficiais. Segundo, quando a área superficial da película é reduzida, a tensão superficial diminui ainda mais. Isso é importante para manter a estabilidade dos alvéolos e prevenir seu colapso. Os alvéolos são estruturas essencialmente esféricas e, assim sendo, comportam-se segundo a equação de Laplace para uma esfera com paredes finas, ou seja P = T / r, onde P é a pressão dentro do alvéolo, T a tensão superficial e r o raio do alvéolo. Se a tensão superficial fosse a mesma em todos os alvéolos, a pressão nos alvéolos pequenos seria, pela equação de Laplace, maior que a pressão nos grandes alvéolos. Portanto, os alvéolos menores se esvaziariam para os alvéolos maiores e se colapsariam. Isto não ocorre porque a tensão superficial do surfactante diminui quando os alvéolos se contraem, de maneira que as pressões nos alvéolos grandes e pequenos ficam praticamente iguais, evitando o colapso dos alvéolos pequenos. Quando a área superficial de uma película de surfactante é pequena, as suas moléculas se rearranjam de maneira que tensão superficial aumenta com o passar do tempo. Assim sendo, os espaços aéreos periféricos tendem ao colapso e a complacência pulmonar tende a diminuir durante períodos prolongados de respiração superficial (basal). Uma única incursão respiratória profunda ou um suspiro reabre os alvéolos e expande a superfície, reduzindo assim, a tensão superficial e restaurando as propriedades elásticas do pulmão. Os pneumócitos granulares tipo II aparecem pela primeira vez no epitélio alveolar do pulmão fetal por volta de 21 semanas de gestação e começam a produzir surfactante entre 28 e 32 semanas de gestação. Os fosfolipídios, incluindo lecitina, que compõem o surfactante passam para o líquido amniótico. Após cerca de 35 semanas de gestação, a concentração de lecitina no líquido amniótico começa a aumentar. Se a produção de surfactante demora a começar ou nasce um prematuro, antes de terem sido sintetizadas quantidades adequadas de surfactante, o lactante estará propenso a desenvolver a síndrome de angústia respiratória do recém-nato. Nessa condição, os alvéolos são muitos instáveis e o pulmão é menos complacente.

7 3. Fluxo aéreo A movimentação de ar nos tubos respiratórios obedece à equação de Poiseuille. Assim, o fluxo gasoso pode ser calculado pela seguinte expressão: = P. r 4 / 8 l, - é o fluxo em unidades de volume / tempo P- é a diferença de pressão entre as extremidades do tubo r- é o raio do tubo - é a viscosidade do fluido l- é o comprimento do tubo. Pela equação se observa que os elevados gradientes de pressão ( P) e a largura do tubo (r) favorecem o desenvolvimento de grandes fluxos ( ). Por outro lado, os tubos longos(l) e os fluidos de alta viscosidade ( ) oferecem grande resistência e dificultam a movimentação do ar. Sabendo-se que = P / R, onde R é a resistência oferecida ao movimento do fluido, é fácil concluir-se que: R = 8 l /. r 4. O raio tem maior influência que os outros parâmetros na resistência ao fluxo aéreo, pois a resistência depende da quarta potência dessa variável. Reduzindo-se o raio a metade a resistência ao fluxo aumenta 16 vezes. Os fluidos se movem espontaneamente da região de maior pressão para região de menor pressão. Assim, durante a inspiração, fase em que se enchem os pulmões, a pressão do meio que envolve o indivíduo é maior do que a pressão alveolar. Quando a pressão nos alvéolos se torna maior do que a pressão externa, o ar é expulso através da árvore respiratória. Uma pressão é negativa quando tem um valor menor que a pressão atmosférica, caso contrário, é positiva. A pressão alveolar varia entre valores negativos na inspiração e positivos na expiração. Quando um indivíduo respira contra uma pressão maior do que a do ambiente que o contém, ele executa uma respiração contra pressão positiva. Esse tipo de respiração ocorre em determinadas patologias pulmonares (enfisema, pulmão de choque, etc.) para

8 manter elevada a pressão no interior das vias aéreas. Com isso, os tubos aéreos são mantidos abertos, facilitando a ventilação dos alvéolos. Tipos de escoamentos O escoamento de fluidos no interior de tubos pode ocorrer sob as formas laminar, turbulenta e mista. No escoamento laminar, o fluido se move em camadas. A mais superficial, aquela que está em contato com a parede do tubo, possui velocidade muito pequena. A velocidade das demais camadas cresce da periferia para o centro da veia fluida. No escoamento turbulento, o fluido desenvolve redemoinhos e não há organização mecânica no movimento do fluido. Esse tipo de regime oferece alta resistência ao fluxo, exigindo um elevado consumo de energia para promover a movimentação do fluido. Durante a respiração tranqüila, o ar nas vias aéreas longas e estreitas se movimenta laminarmente. Nos estados em que há dispnéia, o escoamento tende a ser turbulento, gerando vibrações sonoras que podem ser percebidas na ausculta do paciente. Reynolds estudou o movimento de fluidos em tubos e concluiu que a tendência ao fluxo turbulento poderia ser prevista. Reynolds determinou um parâmetro denominado, atualmente, Número de Reynolds (N) que pode quantificar esta possibilidade de turbulência. Este parâmetro N é dado pela seguinte expressão: N = vd /. Onde : v é a velocidade média do fluido, d é o diâmetro do tubo, é a densidade do fluido e é a viscosidade cinemática do fluido. Reynolds encontrou que, quando N era maoir do que 2000 (unidades do sistema CGS), o fluxo seria turbulento ou estaria na iminência de se tornar turbulento. Várias forças estão envolvidas no escoamento do ar pelas vias aéreas, são elas : forças elásticas da parede torácica e dos pulmões; resistência viscosa do ar; resistência promovida pela turbulência; resistência oferecida durante a alteração de volume e forma dos órgãos/ forças de atrito; forças necessárias para vencer a inércia dos sistemas móveis. Bernoulli demonstrou que existe uma relação inversa entre a velocidade (v) do fluxo aéreo e a pressão (P) que o fluido exerce sobre a parede interna da

9 tubulação que o contém. Esse conhecimento se torna particularmente importante para entender a dificuldade respiratória em brônquios estreitados e de paredes flácidas, tal como acontece no enfisema pulmonar. Nessa doença, as paredes bronquiolares não resistem a pressão de colapso, provocada pelo fluxo de alta velocidade, e pela a luz do tubo aéreo que está estreitada, colaborando para o aumento do esforço respiratório e para a produção de sibilos. Espirograma O espirograma é o registro temporal do volume de ar expirado (Figura 7, 14.9 Garcia). Nesse tipo de medida, o coeficiente angular da curva determina a cada ponto a velocidade do fluxo. Alguns parâmetros são importantes nessa curva do volume versus tempo, são eles: o volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF 1 ); velocidade máxima do fluxo expiratório (FEF Max ); velocidade máxima do fluxo expiratório forçado médio (FEF 25%-75% ), que é medido pela inclinação da reta que liga os pontos correspondentes a 25% e 75% do volume total expirado. Um outro registro importante é o plano de fase do volume expirado. Para se obter um plano de fase de uma variável qualquer, registra-se a primeira derivada temporal da variável contra os valores que essa variável possui em cada instante. No caso da função pulmonar, o registro é feito colocando-se na ordenada o fluxo espirado, que é a primeira derivada do volume em relação ao tempo, e na abscissa, os correspondentes valores do volume expirado. A esse tipo de registro se chama de alça fluxo-volume. Muitas doenças do aparelho respiratório( por ex. asma), mostram espirometria e alças fluxovolume anormais. A manutenção da concentração hidrogeniônica nos fluidos celulares em valores próximos de 10-7 M é fundamental para o funcionamento adequado dos vários processos bioquímicos que ocorrem nas diferentes células dos diversos tecidos animais. Assim a regulação do equilíbrio ácido básico depende, além dos tampões do sangue, dos sistemas respiratório e renal. Os pulmões, atuam sobre o ácido volátil (C 2 O) através da troca gasosa do oxigênio pelo ácido carbônico nos alvéolos, enquanto os rins atuam na excreção de ácidos fixos. Obviamente, outros sistemas fisiológicos como o neural e o circulatório também jogam importante papel nessa regulação.

10 Como os sistemas sanguíneo, neural, circulatório e respiratório já foram tratados anteriormente, será enfocado agora somente o sistema renal. Biofísica renal 1. introdução O rim dos vertebrados é um órgão que tem a função central na manutenção da homeostase do meio interno, conservando uma série de parâmetros básicos, dentro dos limites compatíveis com o funcionamento harmônico do organismo. O elemento funcional unitário do rim é o néfron, que lança mão de uma série de mecanismos de transporte, a fim de manter constantes as concentrações iônicas, osmolaridade e ph do fluido extracelular, além de regular o teor total de uma série de componentes do organismo, como o cálcio, fósforo, potássio e muitos outros. Tal função depende, não somente dos processos de transferência de substâncias através das membranas do néfron, ou seja, dos processos de filtração do plasma sanguíneo na membrana glomerular e de reabsorção e secreção no epitélio tubular, porém de uma série de processos de regulação envolvendo desde a detecção de alterações na composição do meio interno até os mecanismos efetores que levam aos ajustes adequados desses processos (p.ex. regulação da osmolaridade pelo hormônio antidiurético, regulação do de eletrólitos pelo sistema renina-angiotensinaaldosterona, regulação da homeostase do cálcio e fósforo pelo hormônio da paratireóide e da calcitonina, etc). Neste texto, será analisada apenas as características físicas / biofísicas dos processos de transportes através das membranas que constituem o néfron, deixando-se os processos de regulação para o estudo da fisiologia renal. O néfron é formado pelas seguintes estruturas especializadas: glomérulo; túbulo contornado proximal; pars recta do túbulo proximal; ramo ascendente da alça de Henle; ramo ascendente grosso da alça de Henle; túbulo contornado distal e duto coletor. O glomérulo é constituído de um novelo de capilares envolvidos pelo epitélio da cápsula de Bowman, sendo responsável por um processo de ultrafiltração do sangue que percorre as alças capilares. Esta rede capilar é puramente arterial, sendo que os capilares glomerulares, formados por ramificação da arteríola aferente dentro do glomérulo, vão compor, a saída do mesmo, numa nova arteríola, a arteríola

11 eferente. Esta arteríola, por sua vez se capilariza novamente, formando a rede capilar peritubular. A membrana filtrante do glomérulo é constituída por três camadas: a endotelial, proveniente da parede do capilar; a epitelial, que corresponde à parte da cápsula de Bowman que recobre os capilares glomerulares e, entre dois folhetos, uma membrana basal amorfa, que é a única camada efetivamente contínua. O espaço entre os capilares glomerulares e a cápsula de Bowman, no qual se forma o filtrado do plasma sanguíneo, continua com a luz do túbulo contornado proximal. Este segmento, localizado na porção cortical, isto ;e, na parte mais superficial do parênquima renal, é constituído de células cubóides com uma borda em escova bem desenvolvida na sua superfície apical (luminal) e com abundantes invaginações da membrana celular basal (peritubular), entre as quais se encontram numerosas mitocôndrias. Entre as células adjacentes há um espaço intercelular bastante conspícuo, estando as células unidas somente nos seus complexos juncionais (tigh juntions), que inclui a zônula de oclusão nas proximidades do ápice destas células. Os epitélios menos permeáveis (tight) apresentam grande densidade de tight junctions, enquanto os mais permeáveis (leaky) apresentam poucas junções desse tipo. O túbulo proximal de mamífero apresenta poucas junções apertadas, e por isso, é bastante permeável. Os túbulos distais e coletores, por outro lado, apresentam maior densidade dessas junções, e são, portanto, epitélios menos permeantes. A parte contorneada do túbulo proximal seguese a sua parte reta (pars recta), que penetra no parênquima renal em direção a suas porções medulares, constituindo, junto com as porções delgadas, a alça de Henle. O ramo ascendente da alça de Henle consiste da porção reta do túbulo proximal e do ramo delgado descendente. A porção ascendente da alça de Henle também é constituída de uma porção delgada e de uma mais grossa, que se continua, até próximo da córtex, com o túbulo distal. Vários túbulos distais se juntam para formar o duto coletor, que novamente se aprofunda em direção a medula renal, indo desembocar na ponta da papila renal, jogando seu conteúdo, a urina final, no sistema coletor correspondente a cálices e pélvis renal, que se segue no ureter. Ultrafiltração glomerular

12 O primeiro passo para a formação de urina é a ultrafiltração do plasma sanguíneo nos capilares glomerulares. Este ultrafiltrado será posteriormente modificado por diversos mecanismos de transporte existente no epitélio tubular. A membrana basal do glomérulo de um indivíduo normal funciona como um pré-filtro, sendo impermeável a macromoléculas. Em condições patológicas a constituição química e a permeabilidade dessa membrana se alteram, perdendo essa sua capacidade de ser impermeável a macromoléculas. O ritmo de ultrafiltração através da membrana filtrante do glomérulo é dado pela seguinte relação: J v = L p P - L p I I. (1) Onde J v é o fluxo de volume por unidade de área, L p é o coeficiente de permeabilidade hidráulica, P diferença de pressão hidrostática através da membrana filtrante, I é o coeficiente de reflexão para os i diferentes solutos presentes no plasma sanguíneo e I é a diferença de pressão osmótica. Como na membrana basal este é igual a zero para todos os solutos de baixo peso molecular e é praticamente igual a 1 para macromoléculas, isto é, para as proteínas plasmáticas, a diferença de pressão osmótica efetiva através desta membrana é somente aquela devida as proteínas do plasma, também chamada de pressão oncótica. Portanto a equação (1) acima pode ser simplificada para seguinte expressão: P f = P a -P c - a (2), Onde P f é a pressão de ultrafiltração, P a é a pressão no capilar arterial, P c é a pressão capilar e a é a pressão oncótica no plasma arterial. A pressão oncótica no ultrafiltrado foi considerada nula. Rigorosamente, as pressões descritas na equação 2 acima se alteram ao longo do capilar. Parte da pressão hidrostática transmitida pela arteríola aferente se dissipa ao longo do capilar glomerular. Por outro lado, a pressão oncótica capilar, inicialmente igual à arterial e bem inferior a pressão hidrostática, se eleva progressivamente à medida que as proteínas plasmáticas se concentram com o próprio processo de ultrafiltração. No entanto, as grandes quedas de pressão ocorrem somente ao longo das arteríolas que, devido a sua parede

13 muscular mais espessa, são os vasos bastante resistivos. Assim, ao longo dos capilares pode-se considerar que não há grandes quedas de pressão. Excreção fracional de macromoléculas As características da membrana filtrante do glomérulo, são obtidas através da medida da excreção renal de macromoléculas quando comparada a da inulina. A inulina, um polissacarídeo (polifrutose) de peso molecular aproximadamente igual a 4000, é uma molécula com = 0 para membrana filtrante glomerular e que, além disso, não é reabsorvida ou secretada pelos túbulos renais, ou seja todo processo de filtração dessa substância ocorre na membrana filtrante do glomérulo. A excreção fracional de uma molécula é definida pela razão de seu clearance (de sua depuração), pelo da inulina. É claro, que para qualquer substância (com 0) esta razão de depuração será menor que a unidade. O clearance de uma substância é definido da seguinte forma : Clearance = U V / P, Onde U é a concentração da substância na urina, V é o fluxo urinário (ml / min), P concentração da substância no plasma. No caso de uma substância filtrada e reabsorvida pelos túbulos, a quantidade excretada na urina será a diferença entre a quantidade filtrada e a reabsorvida: U V = F J v R (3), Onde F é concentração da substância no filtrado glomerular, J v é o volume de filtrado formado por minuto e R é a quantidade de substância reabsorvida ao longo do néfron por minuto. Se uma substância é filtrada livremente no glomérulo e não é reabsorvida ao longo do néfron (R=0), então a concentração desta substância no filtrado glomerular torna-se igual a sua concentração no plasma (P =F). Desta maneira, o fluxo de volume na expressão (3) pode ser escrito da seguinte maneira: J v = UV / P. O volume filtrado no glomérulo por minuto é, portanto, igual ao clearance da substância, que apresente as características citadas acima ( p. ex. a inulina).

14 A excreção fracional de uma substância X é a razão entre os clearances da substância X e da inulina, ou seja : C X / C in = [(F X J v - R X) / P X ] / J v = (F X / P X ) ( R X / P X J v ).(4) Quando a substância em questão não é reabsorvida, como é o caso das dextranas, a equação 4 pode ser simplificada para seguinte expressão: C X / C in = F X / P X. Então no caso de substâncias que não são reabsorvidas a razão de clearances equivale a razão entre as concentrações no ultrafiltrado e no plasma, razão esta que depende da permeabilidade da membrana filtrante em relação a molécula em estudo. Estudos, utilizando a razão de cleareances, tem mostrado que exclusão de algumas moléculas nos poros da membrana glomerular podem ocorrer devido a presença de carga negativa nessas moléculas. Isto indica que os poros glomerulares devem ser carregados negativamente. Esta negatividade desses poros, pode explicar, em parte, a baixa filtrabilidade de albuminas, proteínas plasmáticas que ao ph do sangue tem carga negativa. Parece que os componentes responsáveis por estas cargas negativas são sialoproteínas, encontradas tanto na membrana basal do glomérulo como na membrana das células endoteliais. Em moléstias renais, como por exemplo à síndrome nefrótica, há modificação da estrutura molecular desta barreira, implicando em redução do teor de sialoproteínas e, portanto, da densidade de cargas fixas negativas, o que leva a maior filtração de proteínas plasmáticas e a proteinúria característica deste tipo de moléstia. Transportes passivos no néfron: solutos e água Solutos A excreção passiva de substâncias (não dependente de ATP) ao longo do néfron depende da permeabilidade do epitélio tubular a essas substâncias. No caso de substâncias que atravessam o filtro glomerular, mas não atravessam passivamente a parede tubular, sua concentração ao longo do néfron será dependente somente do grau de reabsorção de volume (água). Desta maneira, substâncias deste tipo são utilizadas como indicadores de volume. É o caso da inulina, cuja razão de concentração no fluido tubular / plasma é igual à unidade, no glomérulo. Nas demais regiões do néfron vão

15 depender do volume filtrado remanescente. Assim, se até o fim do túbulo proximal 2/3 do filtrado glomerular tiverem sido reabsorvidos, na luz do túbulo ainda permanecerá 1/3 deste filtrado, que, no entanto, conterá toda inulina filtrada. Uma razão fluido / plasma (F/P) de inulina igual a três é encontrada neste local. Se na urina final tivermos uma razão U/P de inulina de 100, isto indicará que 99/100 do filtrado glomerular foram reabsorvidos ao longo do néfron. A quantidade de soluto que atravessa uma dada secção do néfron por unidade de tempo (J sn ) é dada por: J sn = F. J vn, Onde F é a concentração da substância no local considerado e. J vn é o fluxo de volume através da mesma secção. Desta maneira, a quantidade de soluto excretada por unidade de tempo, J su, será dada pela seguinte expressão: J su = U J vu, Onde U é a concentração urinária e J vu o fluxo urinário. Observe que no glomérulo o ritmo de filtração glomerular pode ser expresso por uma equação semelhante, ou seja : J v = J so / C so, Onde J v é o ritmo de filtração glomerular (fluxo de volume), J so é o fluxo de soluto através da membrana glomerular e C so é a concentração do soluto (no caso a inulina) no ultrafiltrado glomerular. No caso da inulina, em cada néfron a seguinte igualdade é verificada: J so = J sn = J su O fluxo de inulina filtrada por unidade de tempo no glomérulo é igual ao existente ao longo do néfron e na urina final, já que essa substância, uma vez filtrada, não deixa os túbulos renais. No caso de uma substância filtrada no glomérulo, porém capaz de penetrar passivamente através do epitélio tubular, como a uréia, os fluxos medidos nas diferentes regiões do néfron serão diferentes entre si.: J so > J sn > J su Isto porque a substância será perdida ao longo do néfron a medida em que ela se concentra (esse aumento de concentração deve-se a reabsorção de volume).

16 Os fluxos de solutos através das diferentes regiões do néfron podem ser regidos pela seguinte equação: J s = L s C s + (1- )C sm J v Onde J s é o fluxo do soluto, L s é uma constante relacionada a permeabilidade do soluto, C s é a diferença de concentração entre o filtrado e o plasma, é o coeficiente de reflexão do soluto, C sm é a concentração média do soluto (C sm = (C capilar + C filtrado )/2) e J v é o fluxo de volume. A transferência de uma substância, como exemplo a uréia, depende da permeabilidade em cada região do néfron (dependente de L s ), dos gradientes de concentrações nessas regiões ( C s ) e do fluxo de volume J v e também do coeficiente de reflexão. Quanto menor for maior a parcela de uréia que acompanhará a água e os sais reabsorvidos. Haverá uma grande reabsorção de uréia sempre que houver um fluxo urinário baixo, isto é, grande reabsorção de fluido, enquanto haverá uma excreção urinária da maior parte da uréia filtrada sempre que o fluxo urinário for alto, correspondendo a menor reabsorção de fluido ao longo néfron. Transporte de água O componente urinário mais importante transportado passivamente é, sem dúvidas, a água. A água é reabsorvida a favor de gradientes de pressão osmótica, gradientes estes estabelecidos pelo transporte, em grande parte ativo, dos mais importantes solutos urinários. A reabsorção de água ao longo do néfron, no entanto, não é homogênea. Há consideráveis diferenças quanto às permeabilidades dos diversos segmentos do néfron à água. Segmentos como o túbulo proximal e coletor (na presença de hormônio antidiurético HAD) são bastante permeáveis, enquanto outros, como o ramo ascendente da alça de Henle e o início do túbulo distal, ou então o duto coletor na ausência de HAD, são pouco permeáveis a água, permitindo não só a formação de uma urina diluída, ou seja, a reabsorção de sal sem água, como também o funcionamento do sistema de contra-corrente na alça de Henle. Em seu ramo ascendente, o transporte de sal sem água para o interstício medular permite a formação de um meio hipertônico extratubular, que vai possibilitar a formação de uma urina hipertônica.

17 O gradiente de pressão osmótica é a mais importante força motriz para transferência de água através do epitélio tubular, enquanto o gradiente de pressão hidrostática tem pequena participação. Em cada da região do néfron determinadas substâncias são responsáveis pelos gradientes de pressão osmótica. Na córtex renal e na medula externa é o cloreto de sódio, sem dúvida o soluto mais importante envolvido no processo. O segmento cortical mais permeável a este sal é o túbulo proximal. Já na papila renal, isto é, na porção mais interna da medula renal, a uréia tem um papel importante no estabelecimento de gradientes de pressão osmótica, contribuindo para a formação da urina hipertônica. Os diferentes mecanismos de transportes de substâncias através do néfron não serão tratados nesse texto e será objeto de um curso específico sobre a biofísica do transporte de substância através de membranas.