Efeitos da Baixa Pressão de Oxigênio Sobre o Corpo

CAPÍTULO 44

 

Fisiologia da Aviação, das Altas Altitudes

 

e do Espaço

 

À medida que os seres humanos ascenderam a altitudes cada vez mais altas, por meio da

aviação, do alpinismo e da exploração espacial, tornou-se, progressivamente, mais importante

compreender os efeitos da altitude e das baixas pressões gasosas sobre o corpo humano. Este

Capítulo analisa esses problemas, bem como as forças de acelera ção, imponderabilidade e

outros desafios para a homeostasia do corpo, que ocorrem em altas altitudes e nos voos

espaciais.

 

EFEITOS DA BAIXA PRESSÃO DE OXIGÊNIO SOBRE O CORPO

Pressões Barométricas em Diferentes Altitudes. A Tabela 44-1 apresenta as pressões

barométricas e de oxigênio em diferentes altitudes, mostrando que, ao nível do mar, a pressão

barométrica é de 760 mmHg; a 3.000 metros, de apenas 523 mmHg; e a 15.000 metros, de 87

mmHg. Essa diminuição da pressão barométrica constitui a causa básica de todos os

problemas de hipoxia na fisiologia das altas altitudes porque, à medida que a pressão

barométrica reduz, a pressão parcial de oxigênio (Po ) na atmosfera diminui 2 proporcionalmente, permanecendo por todo o tempo ligeiramente abaixo de 21% da pressão

barométrica total; a Po ao nível do mar é cerca de 159 mmHg, mas a 15.000 metros, é de 2

apenas 18 mmHg.

Tabela 44-1 Efeitos da Exposição Aguda a Baixas Pressões Atmosféricas sobre as Concentrações no Gás Alveolar e na Saturação de Oxigênio Arterial*

Respirando Ar Respirando Oxigênio Puro

Saturação Saturação

Pco2 de Pco2 de

Pressão Po2 no nos Po2 nos Oxigênio nos Po2 nos Oxigênio

Altitude Barométrica Ar Alvéolos Alvéolos Arterial Alvéolos Alvéolos Arterial (m/pés) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (%) (mmHg) (mmHg) (%)

0 760 159 40 (40) 104 97 (97) 40 673 100

(104)

3.050/10.000 523 110 36 (23) 67 (77) 90 (92) 40 436 100

6.100/20.000 349 73 24 (10) 40 (53) 73 (85) 40 262 100

9.150/30.000 226 47 24 (7) 18 (30) 24 (38) 40 139 99

12.200/40.000 141 29 36 58 84

15.250/50.000 87 18 24 16 15

*Os números entre parênteses se referem aos valores aclimatizados.

 

Po2 ALVEOLAR EM DIFERENTES ALTITUDES

Dióxido de Carbono e Vapor d’Água Diminuem o Oxigênio Alveolar. Mesmo em

altas altitudes, o dióxido de carbono (CO ) é excretado, continuamente, do sangue pulmonar 2 para os alvéolos. Por sua vez, a água se vaporiza para o ar inspirado vindo das superfícies

respiratórias. Esses dois gases diluem o O nos alvéolos, reduzindo, assim, a concentração de 2

O . A pressão do vapor d’água, nos alvéolos permanece em 47 mmHg, enquanto a 2

temperatura corporal for normal, independentemente da altitude.

No caso do CO , durante a exposição às altitudes muito elevadas, a pressão parcial de CO 22

alveolar (Pco ) cai do valor a nível do mar, de 40 mmHg, para valores mais baixos. Na pessoa 2

aclimatada, que aumenta sua ventilação por cerca de cinco vezes, a Pco cai para 2 aproximadamente 7 mmHg, por causa da respiração elevada.

Vejamos agora como as pressões desses dois gases afetam o O alveolar. Suponhamos, por 2

exemplo, que a pressão barométrica caia do valor normal de 760 mmHg ao nível do mar para

253 mmHg, que é o valor usualmente medido no topo do monte Everest, a 8.848 metros.

Como 47 mmHg devem ser de vapor d’água, restam apenas 206 mmHg para todos os outros

gases. Na pessoa aclimatada, 7 mmHg dos 206 mmHg devem ser de CO , restando apenas 2

199 mmHg. Se não houvesse utilização do O pelo corpo, um quinto desses 199 mmHg seria 2

O e quatro quintos nitrogênio; isto é, a Po nos alvéolos seria de 40 mmHg. Entretanto, parte 2 2 desse oxigênio alveolar restante está continuamente sendo absorvida pelo sangue, deixando

cerca de 35 mmHg de pressão de O nos alvéolos. No topo do monte Everest, apenas as 2

pessoas mais bem aclimatadas são capazes, com dificuldade, de sobreviver respirando ar.

Mas, o efeito é muito diferente quando a pessoa está respirando O puro, conforme veremos 2 nas discussões a seguir.

Po2 Alveolar em Diferentes Altitudes. A quinta coluna da Tabela 44-1 mostra os

valores de Po aproximados nos alvéolos em diferentes altitudes, quando se está respirando ar, 2

na pessoa não aclimatada e na aclimatada. Ao nível do mar, a Po alveolar é de 104 mmHg. 2 A 6.096 metros de altura, ela cai para cerca de 40 mmHg na pessoa não aclimatada, mas para

apenas 53 mmHg na aclimatada. A razão da diferença entre esses dois casos é que a

ventilação alveolar aumenta muito mais na pessoa aclimatada do que na pessoa não

aclimatada, como discutiremos adiante.

 

Saturação da Hemoglobina com Oxigênio em Diferentes Altitudes. A Figura 44-1

mostra a saturação de O do sangue arterial em diferentes altitudes, enquanto a pessoa respira 2

ar ou enquanto respira O . Até a altitude de cerca de 3.048 metros, mesmo quando é respirado 2

ar, a saturação de O arterial permanece pelo menos em 90%. Acima de 3.048 metros, a 2

saturação de O arterial cai rapidamente conforme mostrado pela curva azul da figura, até 2

ficar ligeiramente abaixo de 70% a 6.096 metros, e muito menos em altitudes ainda mais altas.

 

Figura 44-1. Efeito das altas altitudes sobre a saturação de oxigênio arterial quando se respira ar e quando se respira oxigênio puro.

 

O EFEITO DE RESPIRAR OXIGÊNIO PURO SOBRE A Po2 ALEVOLAR Quando a pessoa respira O puro em vez de ar, a maior parte do espaço nos alvéolos, antes 2

ocupado por nitrogênio, é ocupado por O . A 9.144 metros, um aviador poderia ter Po 2

alveolar tão alta quanto 139 mmHg, em lugar dos 18 mmHg quando respira ar (Tabela 44-1).

A curva vermelha da Figura 44-1 mostra a saturação de O da hemoglobina do sangue 2

arterial em diferentes altitudes, enquanto se está respirando O puro. Observe que a saturação 2 permanece acima de 90% até que o aviador ascenda a cerca de 11.887 metros; a seguir, ela cai

rápido para aproximadamente 50%, em torno de 14.325 metros.

O “Teto” Quando se Respira Ar e Quando se Respira Oxigênio em Aeroplano

não Pressurizado. Quando se compara as duas curvas de saturação de O do sangue 2

arterial na Figura 44-1, observa-se que aviador respirando O puro em aeroplano não 2 pressurizado pode ascender a altitudes muito mais altas do que alguém respirando ar. Por

exemplo, a saturação arterial a 14.325 metros, quando se está respirando oxigênio, é cerca de

50% e é equivalente à saturação de O arterial a 7.010 metros, quando se está respi rando ar. 2

Além disso, como a pessoa não aclimatada geralmente pode permanecer consciente até que a

saturação de O arterial caia a 50% durante curtos tempos de exposição, o teto para o aviador 2

em aeroplano não pressurizado, quando respira ar, é de cerca de 7.010 metros, e quando

respira O puro é em torno de 14.325 metros, contanto que o equipamento de fornecimento de 2

O opere perfeitamente. 2

 

EFEITOS AGUDOS DA HIPoXIA

Alguns dos efeitos agudos importantes da hipoxia na pessoa não aclimatada respirando ar,

começando na altitude de cerca de 3.657 metros, são sonolência, lassidão, fadiga mental e

muscular, algumas vezes dor de cabeça, ocasionalmente, náuseas e, às vezes, euforia. Esses

efeitos progridem para o estágio de abalos musculares ou convulsões, acima de 5.486 metros,

e terminam, acima de 7.010 metros, na pessoa não aclimatada, em coma, seguido logo depois

pela morte.

Um dos efeitos mais importantes da hipoxia é a proficiên cia mental diminuída, que dificulta

o julgamento, a memória e os movimentos motores individualizados. Por exemplo, se aviador

não aclimatado permanecer a 4.572 metros durante 1 hora, a proficiência mental, em geral, cai

para cerca de 50% do normal, e depois de 18 horas nesse nível, ela cai para aproximadamente

20% do normal.

 

ACLIMATAÇÃO À BAIXA Po2

A pessoa que permanecer em altas altitudes durante dias, semanas ou anos ficará cada vez

mais aclimatada à baixa Po , assim, isso causa menos efeitos deletérios ao corpo. Após a 2

aclimatação é possível que a pessoa trabalhe mais intensamente, sem efeitos hipóxicos, ou

ascenda a altitudes ainda maiores.

Os principais meios pelos quais a aclimatação ocorre são (1) grande aumento da ventilação

pulmonar; (2) número aumentado de hemácias; (3) aumento da capacidade de difusão dos

pulmões; (4) vascularidade aumentada dos tecidos periféricos; e (5) capacidade aumentada

das células teciduais usarem O , apesar da baixa Po . 2 2

Ventilação Pulmonar Aumentada — O Papel dos Quimiorreceptores Arteriais. A

exposição imediata à baixa Po estimula os quimiorreceptores arteriais, e essa estimulação 2

aumenta a ventilação alveolar para o máximo de cerca de 1,65 vez o normal. Por essa razão, a

compensação ocorre, em segundos, para a alta altitude, e ela isoladamente possibilita à pessoa

ascender vários milhares de metros mais alto do que seria possível sem a ventilação

aumentada. Assim, se a pessoa permanecer em altitude muito alta durante vários dias, os

quimiorreceptores elevam a ventilação ainda mais, até cerca de cinco vezes o normal.

O aumento imediato da ventilação pulmonar com a subida para altas altitudes expele

grandes quantidades de CO , reduzindo a Pco e aumentando o pH dos líquidos corporais. 2 2 Essas alterações inibem o centro respiratório do tronco cerebral e, desse modo, se opõem ao

efeito da baixa Po de estimular a respiração, por intermédio dos quimiorreceptores arteriais 2

periféricos nos corpos carotídeos e aórticos. Entretanto, essa inibição se esvanece,

progressivamente, durante os 2 a 5 dias subsequentes, permitindo que o centro respiratório

responda, com força completa ao estímulo dos quimiorreceptores periféricos pela hipoxia, e a

ventilação aumenta para cerca de cinco vezes o normal.

Admite-se que a causa dessa inibição, que desaparece gradativamente, seja em grande parte

a redução da concentração de íon bicarbonato no líquido cefalorraquidiano, bem como nos

tecidos cerebrais. Essa redução, por sua vez, diminui o pH nos líquidos que circundam os

neurônios quimiossensíveis do centro respiratório, aumentando, assim, a atividade

estimuladora respiratória do centro.

Mecanismo importante para a diminuição gradual da concentração de bicarbonato é a

compensação pelos rins da alcalose respiratória, como discutido no Capítulo 31. Os rins

respondem à Pco elevada, reduzindo a secreção de íon hidrogênio e aumentando a excreção 2

de bicarbonato. Essa compensação metabólica da alcalose respiratória reduz, gradualmente, a

concentração de bicarbonato e do pH plasmático e líquido cefalorraquidiano em direção aos

valores normais e remove parte do efeito inibitório, sobre a respiração, da baixa concentração de íon hidrogênio. Assim, os centros respiratórios respondem muito mais ao estímulo dos

quimiorreceptores periféricos causado pela hipoxia depois que os rins compensam a alcalose.

 

Aumento nas Hemácias e na Concentração de Hemoglobina Durante a

Aclimatação. Conforme discutido no Capítulo 33, a hipoxia é o principal estímulo para

causar aumento da produção de hemácias. Ordinariamente, quando a pessoa permanece

exposta a baixo O durante semanas seguidas, o hematócrito se eleva lentamente do valor 2

normal de 40 a 45 para média de cerca de 60, com aumento médio da concentração de

hemoglobina do sangue total do normal de 15 g/dL para cerca de 20 g/dL.

Além disso, o volume sanguíneo também aumenta muitas vezes, por 20% a 30%, e esse

aumento, multiplicado pela concentração aumentada de hemoglobina sanguínea, produz

aumento da hemoglobina corporal total por 50% ou mais.

Capacidade de Difusão Aumentada após a Aclimatação. A capacidade de difusão

normal do O , através da membrana pulmonar, é cerca de 21 mL/mmHg, e essa capacidade de 2

difusão pode elevar por até o triplo, durante o exercício. Aumento semelhante da capacidade

de difusão ocorre nas altas altitudes.

Parte da elevação resulta do volume sanguíneo capilar pulmonar aumentado, o que expande

os capilares e aumenta a área de superfície através da qual o O pode se difundir para o 2 sangue. Outra parte resulta do aumento do volume de ar pulmonar, que expande ainda mais a

área de superfície da interface alveolocapilar. A parte final resulta do aumento da pressão

arterial pulmonar, o que força o sangue para o maior número de capilares alveolares do que

normalmente — em especial nas partes superiores dos pulmões, que são pouco perfundidas

nas condições usuais.

 

Alterações no Sistema Circulatório Periférico durante a Aclimatação —

Capilaridade Tecidual Aumentada. O débito cardíaco frequentemente aumenta em até

30% logo após a pessoa ascender para altas altitudes, mas a seguir, diminui de volta ao normal

ao longo de período de semanas à medida que o hematócrito sanguíneo aumenta, de modo

que a quantidade de O transportada para os tecidos periféricos permanece aproximadamente 2

normal.

Outra adaptação circulatória é o aumento do número de capilares circulatórios sistêmicos

nos tecidos não pulmo nares, o que é chamado capilaridade tecidual aumentada (ou

angiogênese). Essa adaptação ocorre especialmente em animais nascidos e criados em altas

altitudes, porém menos em animais que, ao longo da vida, são expostos às altas altitudes.

Nos tecidos ativos, expostos a hipóxia crônica, o aumento da capilaridade é especialmente

acentuado. Por exemplo, a densidade capilar, no músculo ventricular direito eleva acentuadamente em virtude dos efeitos combinados da hipoxia e da excessiva carga de

trabalho sobre o ventrículo direito, causada pela hipertensão pulmonar nas altas altitudes.

 

Aclimatação Celular. Em animais nativos de altitudes de 3.962 metros a 5.181 metros, as

mitocôndrias, nas células, e os sistemas enzimáticos oxidativos celulares são ligeiramente

mais abundantes do que em habitantes de regiões ao nível do mar. Portanto, presume-se que

as células teciduais dos seres humanos aclimatados às altas altitudes também podem usar

oxigênio mais eficientemente do que as suas contrapartes do nível do mar.

 

FATORES induzido POR HIPoXIA: O “INTERRUPTOR MESTRE” PARA

A RESPOSTA DO ORGANISMO À HIPoXIA

Os fatores induzidos por hipoxia (FIH) são fatores de transcrição de ligação ao DNA que

respondem a uma diminuição da disponibilidade de oxigênio e ativam vários genes que

codificam proteínas necessárias para o fornecimento adequado de oxigênio aos tecidos e ao

metabolismo energético. Os FIH estão praticamente em todas as espécies que respiram

oxigênio, desde vermes primitivos aos seres humanos. Alguns dos genes controlados por FIH,

em especial o FIH-1, são:

•Genes associados ao fator de crescimento endotelial vascular, que estimulam a

angiogênese.

•Genes da eritropoetina que estimulam a produção de hemácias.

•Genes mitocondriais envolvidos na utilização de energia.

•Genes de enzimas glicolíticas envolvidas no metabolismo anaeróbico.

•Genes que aumentam a disponibilidade de óxido nítrico causador de vasodilatação

pulmonar.

Na presença de oxigênio adequado, as subunidades de FIH necessárias para ativar diversos

genes são reguladas no sentido descendente e são inativadas por hidroxilases de FIH

específicos. Na hipoxia, as hidroxilases dos FIH estão, elas próprias, inativas, permitindo a

formação de um complexo de FIH transcricionalmente ativo. Assim, os FIH atuam como um

“interruptor mestre” que permite ao corpo responder adequadamente à hipoxia.

 

ACLIMATAÇÃO NATURAL DOS SERES HUMANOS NATIVOS QUE

VIVEM EM ALTAS ALTITUDES

Muitos seres humanos nativos dos Andes e do Himalaia vivem em altitudes acima de 3.962

metros. Um grupo, nos Andes peruanos, vive em altitude de 5.334 metros e trabalha em mina

na altitude de 5.791 metros. Muitos desses nativos nasceram nessas altitudes e ali vivem por

todas as suas vidas. Os nativos são superiores até aos mais bem aclimatados, em todos os aspectos da aclimatação, naturais de baixas altitudes, mesmo que estes últimos também

possam ter vivido em altas altitudes durante 10 anos ou mais. A aclimatação dos nativos

começa na infância. O tamanho do tórax, em especial, é muito aumentado, enquanto o

tamanho do corpo é menor, dando alta proporção de capacidade ventilatória à massa corporal.

Os corações dos nativos, que desde o nascimento bombeiam quantidades extras de débito

cardíaco, são consideravelmente maiores que o dos naturais de baixas altitudes.

A distribuição de O pelo sangue aos tecidos também é muito facilitada nesses nativos. Por 2

exemplo, a Figura 44-2 mostra curvas de dissociação do O-hemoglobina nos nativos que 2

vivem a nível do mar e suas contrapartes que habitam a 4.572 metros. Observe que a Po do 2 oxigênio arterial nos nativos de altas altitudes é de apenas 40 mmHg, mas, em virtude da

maior quantidade de hemoglobina, a quantidade de O no seu sangue arterial é maior que a no 2

sangue dos nativos em altitudes mais baixas. Observe também que a Po venosa nos nativos 2

das altas altitudes é apenas 15 mmHg menor que a Po venosa dos habitantes de baixas 2

altitudes, apesar da Po arterial muito baixa, indicando que o transporte de O para os tecidos 2 2 é extraordinariamente eficiente nos nativos das altas altitudes, naturalmente aclimatados.

 

Figura 44-2. Curvas de dissociação de oxigênio-hemoglobina no sangue de residentes em altas altitudes (curva vermelha) e residentes a nível do mar (curva azul), mostrando os respectivos níveis de Po arterial e venosa e 2 conteúdo de oxigênio, conforme registrados nos seus ambientes naturais. (Dados de Oxygen-dissociation curves for bloods of high-altitude and sea-level residents. PAHO Scientific Publication No. 140, Life at High Altitudes, 1966.)

 

CAPACIDADE DE TRABALHO REDUZIDA NAS ALTAS ALTITUDES E O EFEITO POSITIVO DA ACLIMATAÇÃO

Além da depressão mental causada pela hipoxia, a capacidade de trabalho de todos os

músculos (não apenas os músculos esqueléticos, mas também os cardíacos) está bastante

diminuída no estado de hipoxia. Em geral, a capacidade de trabalho é reduzida na proporção

direta à diminuição da intensidade máxima de captação de O que o corpo é capaz de realizar. 2

Para dar ideia da importância da aclimatação no aumento da capacidade de trabalho,

consideremos as grandes diferenças nas capacidades de trabalho, sob forma de porcentagem

do normal, para pessoas não aclimatadas e aclimatadas, na altitude de 5.181 metros:

 

Capacidade de Trabalho (Porcentagem do

Normal)

Não aclimatadas 50

Aclimatadas durante 2 meses 68

Nativos vivendo a 4.023 metros, mas trabalhando a 5.181 87

metros

 

Assim, as pessoas naturalmente aclimatadas são capazes de realizar um trabalho diário,

mesmo nas altas altitudes, quase igual ao de um habitante de baixas altitudes ao nível do mar;

os habitantes de baixas altitudes bem aclimatados quase nunca são capazes de alcançar este

resultado.

 

DOENÇA AGUDA DAS MONTANHAS E EDEMA PULMONAR DAS ALTAS ALTITUDES

Pequena porcentagem das pessoas que sobem muito rapidamente para grandes altitudes fica

agudamente doente e pode morrer se não receber O ou for removida rapidamente para 2 altitude mais baixa. A doença começa de algumas horas a cerca de 2 dias após a subida. Dois

eventos ocorrem, com frequência:

1. Edema cerebral agudo. Admite-se que esse edema resulte da dilatação local dos vasos

sanguíneos cerebrais causada pela hipoxia. A dilatação das arteríolas aumenta o fluxo

sanguíneo pelos capilares, aumentando assim a pressão capilar, o que, por sua vez, faz

extravasar líquido para os tecidos cerebrais. O edema cerebral pode, então, levar à

desorientação grave e a outros efeitos relacionados com a disfunção cerebral.

2. Edema pulmonar agudo. A causa do edema pulmonar agudo ainda é desconhecida, mas

uma explicação é a seguinte: a hipoxia grave faz as arteríolas pulmonares constringirem-se

poderosamente, mas a constrição é muito maior em algumas partes dos pulmões do que em

outras, de modo que cada vez uma maior parte do fluxo sanguíneo pulmonar é forçada a

passar por número cada vez menor de vasos pulmonares ainda não contraídos. O resultado