Este documento trata sobre la respiración y el transporte de gases en los organismos. En 3 oraciones resume que: 1) Explica los procesos de respiración interna a nivel celular y respiración externa a través de superficies respiratorias especializadas como branquias, pulmones y tráqueas. 2) Describe los mecanismos de ventilación y transporte de oxígeno y dióxido de carbono a través de la sangre, utilizando pigmentos respiratorios como la hemoglobina. 3) Exam
4. Introducción
Respiración interna.
Es el catabolismo de las moléculas orgánicas. En el
proceso aerobio se consume O2 y se liberan CO2 y
energía, que se almacena en forma de ATP.
Marco A. Medina
5. Respiración externa.
La secuencia completa de paso por los cuales los animales
realizan el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono
entre el entorno externo y las mitocondrias de sus células
Introducción
Marco A. Medina
6. Intercambio gaseoso entre el organismo y su
medio, de éste toman el O2 y al medio desprenden
CO2, formado durante el proceso de la respiración
celular.
Favorecido por la ventilación.
El intercambio gaseoso se produce siempre
por difusión .
De qué depende la difusión?
Introducción
Marco A. Medina
8. A medida de que
aumenta el tamaño de los
organismos, la
proporción entre la
superficie y el volumen
decrece, lo que limita el
área disponible de
difusión. Y el oxígeno
debe de difundirse por
distancias mayores en el
animal, aumentando el
tiempo necesario para la
difusión.
9. Introducción
En organismos sencillos
como protozoos,
esponjas y cnidarios, el
O2 disuelto en el agua
pasa por difusión a las
células y de la misma
forma el CO2 se difunde
al agua.
Marco A. Medina
11. En animales que viven en
ambientes húmedos o
acuáticos como ciertos
anélidos, algunos
artrópodos y anfibios
(que además tienen
pulmones) respiran a
través de la piel:
respiración cutánea.
En anfibios hasta el 80%
del CO2 se libera por la
piel, y el 50% de O2 es
captado por la misma.
Marco A. Medina
12. A medida que aumenta la
complejidad del animal
aparecen estructuras
especializadas para
hacer más eficiente el
proceso de la difusión.
Marco A. Medina
16. Porqué existe en el medio aéreo
una mayor evolución de organismos
(Fisiológica y estructuralmente)
que en el medio acuático?
O2
Tasa
metabólica
Mayor grado de organización
animal
Temperatura
Organismos endotermos
18. Las branquias son
características de
animales acuáticos.
Proyecciones de la
superficie externa del
cuerpo o de la capa
interna del intestino
hacia el exterior del
animal.
Hay dos tipos de
branquias: externas e
internas.
Respiración
branquial
19. n Las branquias externas tienen la ventaja de que su simple
movimiento moviliza el agua, pero pueden ser fácilmente
dañadas por los agentes externos.
!
n Las branquias internas, están situadas en una cavidad
protectora por lo que es necesario un sistema de ventilación
de la superficie de intercambio.
21. Respiración en peces
En los peces, las branquias
están formadas por unas
laminillas muy vascularizadas
que se insertan en el arco
branquial y están cubiertas
por el opérculo.
El agua penetra por la boca y
sale por el opérculo, en este
trayecto, las branquias toman
el O2 disuelto en el agua.
26. Respiración traqueal
n Propia de insectos y otros artrópodos terrestres.
Este aparato está formado por una serie de tubos, las tráqueas,
producidas por invaginaciones del tegumento, en las que el aire
entra a través de unos pequeños orificios de la superficie del
cuerpo, llamados estigmas.
Marco A. Medina
27. Las tráqueas se van
ramificando y
disminuyendo de
diámetro, hasta que
contactan directamente
con las células,
(traqueolas) donde se
realiza el intercambio
gaseoso por difusión. No
necesitan por tanto, un
aparato circulatorio para
el transporte de gases.
Marco A. Medina
29. Ventilación
pulmonar
Los pulmones son
invaginaciones de las
superficies respiratorias.
Ventilación bidireccional
participación de
músculos craneales
(peces) y axial
(mamíferos).
30% del volumen
pulmonar : espacio
muerto.
Marco A. Medina
30. Ventilación
pulmonar
Consiste en :
La inspiración, o
entrada de aire a los
pulmones. Este
mecanismo es diferente
en distintos grupos de
vertebrados:
en anfibios es una
deglución, como si se
tragaran el aire.
En aves por la
compresión de los sacos
aéreos por los músculos
de las alas.
En mamíferos, el aire
entra activamente en los
pulmones al dilatarse la
caja torácica
La expiración, o salida
de aire, se realiza
pasivamente.
Marco A. Medina
31. Ventilación
pulmonar
Según se asciende en la
escala animal, los
pulmones van
incrementando su
superficie interna,
desde los anfibios, cuyos
pulmones son sacos sin
ninguna tabicación, por
lo que complementan
esta respiración con la
cutánea…
34. Ventilación
pulmonar
…hasta llegar a las aves
y los mamíferos, cuyos
pulmones son los más
desarrollados debido a
los sacos aéreos de las
aves y a los alvéolos en
mamíferos.
Marco A. Medina
37. Cuando la sangre llega a los
pulmones, el O2 pasa por
difusión a través de las
paredes alveolares y capilares
a la sangre.
Es transportado por la
hemoglobina , localizada en
los glóbulos rojos, que la
llevará hasta las células del
cuerpo donde por el mismo
proceso de difusión pasará al
interior para su posterior uso.
Marco A. Medina
38. El mecanismo de
intercambio de CO2 es
semejante, pero en
sentido contrario,
pasando el CO2 a los
alvéolos. El CO2, se
transporta disuelto en el
plasma sanguíneo y
también en parte se
transporta los glóbulos
rojos.
Marco A. Medina
40. Transporte de gases
SANGRE !
n Nutrientes
n Metabolitos
n Productos de excreción
n Gases
n Comunicación
n Células
n Transporte de calor
n Transmisión de fuerza
n Coagulación
n Medio interno
n Sistema Inmunológico
Marco A. Medina
41. Transporte de gases
n Bióxido de carbono (CO2).
!
n Mucho mayor solubilidad.
n Se transporta en los
glóbulos rojos ó disuelto en
el plasma.
n Se puede unir a los
pigmentos respiratorios.
n Se capta en los tejidos.
n Se libera en los pulmones.
n Oxígeno (O2).
!
n Baja solubilidad.
n Unido a los pigmentos
respiratorios
(Metaloproteinas)
n Se capta en los
pulmones.
n Se libera en los tejidos.
Marco A. Medina
48. Pigmentos
respiratorios
• En algunos invertebrados los pigmentos están disueltos en
la sangre.
• En los vertebrados, están en células.
!
• Existen vertebrados sin pigmentos respiratorios ni
eritrocitos?
• Qué pasaría si un organismo no presentara pigmentos
respiratorios?
Marco A. Medina
49. Transporte de
Oxígeno
n 4 O2 por cada Hb.
n La unión Hb y O2 es reversible.
n El grado de combinación HbO2 varía con la
PpO2 ambiental.
Hb + O2 HbO2
!
n A cualquier concentración de O2 existe una
proporción de Hb unida al gas:
Oxihemoglobina.
n Graficando, se obtienen las…
Marco A. Medina
50. Curvas de
disociación
Expresan la cantidad de
O2 en la sangre a cierta
ppO2.
Se expresa en % de
saturación.
A mayor ppO2 se une el
oxígeno a la Hb.
A menor PpO2 se libera
de la Hb.
Marco A. Medina
51. La PpO2 en los pulmones es
de 100 mmHg. Hb 100 %
saturada.
La PpO2 en los tejidos es de
40 mmHg. Hb 75 % saturada.
En condiciones normales, la
Hb sólo cede el 25 % del O2
que transporta.
Al resto se le conoce como
reserva de O2. sólo se
descarga cuando se
incrementa la demanda del O2
en los tejidos.
Marco A. Medina
53. n La mioglobina es similar a
la Hb.
!
n Tiene un solo gpo. hemo:
1 O2 por cada Mb.
!
n No se encuentra en la
sangre, sino en el
músculo.
!
n Curva de disociación.
!
n Reserva de O2 en el
músculo.
59. pH y afinidad de la Hb (efecto
Bohr)
Curva de disociación a
diferentes pH.
A menor pH, disminuye la
afinidad (la curva se desplaza
a la derecha, shift to the
right).
El pH sanguíneo fluctúa entre
7.35 y 7.45. En los tejidos es
7.2.
Cuando la Hb llega a los
tejidos se favorece la
liberación del O2 a menor pH.
Efecto Bohr. Marco A. Medina
61. Efecto Root
En algunos Crustáceos,
cefalópodos y
principalmente peces) en
la presencia de CO2,
Importante para el llenado
de la vejiga natatoria de los
peces
62. De qué manera la temperatura
afectaría la curva de disociación del
Oxígeno?
Marco A. Medina
63. Porqué disminuye el pH?
Producción de CO2 los tejidos.
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3
-
!
Ácido carbónico.
Bicarbonato
Transporte del
Dióxido de carbono
Marco A. Medina
65. Se transporta de tres formas principales:
1) CO2 en estado gaseoso 5 %.
2) Unido a la Hb (gpo. Amino terminal:
carboxihemoglobina ó carbaminohemoglobina)
20 %.
En los tejidos la HbCO2 facilita la liberación
del O2 y en los pulmones, la liberación el CO2
facilita la unión del O2.
3) Como ion bicarbonato HCO3
- 75 %.
Marco A. Medina
66. Cómo es el proceso?
El CO2 sale de los tejidos y una parte se transporta como gas, otra
parte entra a los eritrocitos (difusión), se une a la Hb ó…
Enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3
-
El bicarbonato sale del eritrocito y se transporta en el plasma
sanguíneo. Se puede unir al Na+ y formar bicarbonato de sodio
(amortiguador del pH).
Los iones H+ se unen a la Hb (amortiguador pH).
Para compensar la pérdida de cargas, entra Cl- al eritrocito.
La salida de bicarbonato y entrada de cloro son por flujo pasivo.
Marco A. Medina
67. Cuando los eritrocitos llegan a los pulmones, la reacción ocurre
en sentido inverso:
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3
-
El bicarbonato entra al eritrocito, se combina con el hidrógeno,
formando ácido carbónico. El Cl- abandona la célula.
La anhidrasa carbónica actúa sobre el ácido carbónico
produciendo CO2 y agua.
En los pulmones la anhidrasa carbónica se encuentra en la
membrana de las células endoteliales.
El CO2 atraviesa los capilares sanguíneos (difusión) y es
exhalado.
Marco A. Medina
69. Control de la
respiración
Existen quimioreceptores en la carótida y en la aorta.
Los de la aorta, son sensibles a los niveles de oxígeno
en la sangre.
Los receptores en la médula son sensibles a los
niveles de CO2 en la sangre.
Si disminuyen los niveles de oxígeno ó se
incrementan los de CO2, éstos receptores detectan un
descenso en el pH ó bajo oxígeno y estimulan el
centro respiratorio en el cerebro (retroalimentación
negativa) para incrementar la frecuencia respiratoria
y el ritmo cardiaco.
Marco A. Medina
70. Fisiología del buceo
n Adaptaciones
anatómicas.
!
n Adaptaciones
fisiológicas.
Marco A. Medina
71. Cuales son los principales problemas que se
enfrenta un vertebrado de origen terrestre al
bucear?
v Incapacidad para
intercambiar gases de
pulmón en todo
momento.
!
v Disminuir la perdida de
calor por la piel.
El calor puede ser removido del
cuerpo de un mamífero 25 veces
más rápido que en aire.
!
v Gran resistencia al
movimiento.
Densidad del agua: es tres ordenes
superior a la del aire a ma misma
temperatura.
Viscosidad: 60 veces mayor que la del
aire a la misma temperatura.
Fuerza de arrastre:mucho mayor en un
mamífero cuerpo moviéndose a
través del agua que a través del
aire.
!
v Cambio en las
características de
propagación del sonido.
!
v Pedida de luz conforme
se va aumentando la
profundidad
Después de los 50 m de profundidad
desaparece la luz.
Marco A. Medina
72. I. Termorregulación
§ Control de la temperatura corporal: T° promedio (36-37 °C)
§ Cuando la temperatura es controlada desde adentro
los cambios ambientales pueden afectar tal proceso.
!
§ Mamíferos marinos no compensan este problema de termorregulación
solamente elevando su tasa metabólica, pero usan otras vías en lugar
de esta....
Endotermo
a) Mayor aislamiento
!
b) Sistemas de intercambio de calor
!
c) Decremento en la relación: superficie-
volumen
!
d) Incremento en la producción de calor
metabólico
!
e) Comportamiento termorregulador
Agua conduce el calor
25 veces más que el
aire.
73. a) Mayor aislamiento : Disminución de la capacidad de conductancia del cuerpo con el agua.
* Mamíferos marinos pueden pasar tiempo en ambos ambientes, tierra y agua. (Nutrias y focas)
Pelo denso
-Mamíferos terrestres:atrapan el aire
(pobre conductor térmico) formando una capa
de aislamiento. Húmedo, se pierden las
capacidades de aislamiento térmico.
!
-Mamíferos marinos (focas juveniles, nutrias y
osos polares), presentan pelo muy denso que
evita que el agua llegue a la piel.
Mamífero terrestre Mamífero marino
Pelos primarios emergen solos,
desde el canal de formación.
Pelos primarios surgen y
múltiples pelos secundarios
(50-100)
Focas que viven en las aguas polares y los leones marinos
que bucean en aguas frías
I. Termoregulación
74. a) Mayor aislamiento: * Mamíferos marinos con menor pelo (pinípedos y sirenidos).
Grasa
!
- El uso de grasa como aislante térmico del
cuerpo. La conductividad térmica es inversa
al valor de aislamiento.
- No es tan efectiva como el pelo (el calor se
conduce 7 veces más rápido en el pelo).
!
- Mejora hidrodinamismo del cuerpo y
proporciona energía durante los períodos de
ayuno prolongados
La temperatura del aire tiene un papel de limitar la distribución de los
focas (por ejemplo, focas grises).
I. Termoregulación
75.
76. b) Sistemas de intercambio de
calor: En algunas condiciones mamíferos
marinos deben perder en lugar de conservar
el calor corporal.
- Ballenas de nadando activo o mamíferos marinos que
periódicamente exponen al aire, leones marinos viven
en aguas tropicales .
!
- La grasa está ricamente vascularizada. Estas
arteriolas se pueden vasocnostriñir cuando la grasa
necesita actuar como aislante pero se vasodilatan
cuando se necesita perder calor.
!
- Las aletas como "Ventanas térmicas": estos
apéndices apéndices presentan grandes venas
superficiales que llevan la sangre venosa caliente a la
superficie de la piel y después esta sangre se
refrigera por el agua ambiental.
!
¿Por qué el calor corporal no se está perdiendo
continuamente a través de estas ventanas?
!
- Espirales masivas de los vasos sanguíneos (red
mirabilis) que forman bloques de tejido en las
extremidades y aletas y aletas..
!
- Estos funcionan como contracorriente de calor.
Mantenimiento de calor diferencial entre corrientes
opuestas, aumentando la cantidad de calor transferido.
I. Termoregulación
77. b) Sistemas de intercambio de calor: En algunas condiciones los mamíferos marinos deben
de perder más que conservar el calor. Ello son incapaces de sudar o jadear y sus aparatos
reproductores son internos
-Los focidos y delfines poseen un sistema
contracorriente que mantiene los testículos a
temperatura inferior a la corporal.
!
- Los focidos los testículos son enfriados directamente
por una vena que se encuentra entre las aletas
traseras y la pelvis.
!
-En los delfines las arterias espermáticas están
yuxtapuestas con las venas que regresan la sangre fría
de la superficie de la aleta dorsal y caudal. S
-Las ballenas poseen intercambio de calor contracorriente en
la boca, lo que les permite reducir la pérdida de calor cuando la
alimentación..
I. Termoregulación
78. c) Decremento en la relación: Superficie- volumen
- La modificación del cuerpo a una forma esférica confiere menor área
de superficie .
!
-El área de superficie de un mamífero marino es 23% menor a la de un
mamífero terrestre.
!
- Decremento en la relación S-V
!
Cuando un cuerpo incrementa en tamaña, su área de superficie y su
volumen incrementa: no obstante la relación entre el área de
superficie y el volumen disminuye.
!
La mayoría de los mamíferos marinos son grandes y son capaces de
producir el suficiente calor teniendo una pequeña perdida por su área
de superficie
La forma torpedo confiere menor área de
superficie
Cuerpos de la misma forma, El mayor tiene menor
superficie de área.
I. Termoregulación
80. d) Incremento en la producción de calor metabólico
- En descanso las tasas metabólicas de los pinípedos
son 1.5-3 veces mayores que en mamíferos terrestres
del mismo tamaño.
!
- Una alta tasa metabólica ayuda a los mamíferos
marinos a mantener el calor en aguas frías o estar
sobre el hielo polar, quemando rápidamente las calorías
e) Comportamiento termorregulador
Pinípedos usan sus aletas de exponiéndolas en el aire o
al agua o arena húmeda para aliviar el estrés térmico.
!
- Entran al agua o se quedan en pozas de marea.
!
-Para conservar el calor cuando descansa sobre la
superficie del agua, lobos y leones marinos extenden
las aletas por encima de la superficie.
I. Termoregulación
81. II. Fisiología del Buceo: Apneas
Qué vertebrados bucean:
Todos dependen del aire para respirar y realizan sus actividades normales (alimentación) dentro del
medio acuático
Orden de Mamíferos Representantes acuáticos
Monotremas Ornitorrinco
Marsupiales Ninguno
Insectívoros Musaraña acuática
Quirópteros Ninguno
Primates Ninguno
Roedores Castor, Rata almizclera
Cetaceos Ballenas (todas)
Carnívoros
Focidos
Pinípedos
Nutria
Focas (todas)
Todos
Sirenios
Perisodactilos
Artiodáctilos
Todos (vacas marinas, manatí, dugongo)
Tapir
Hipopótamo
82. II. Fisiología del Buceo: Apneas
Qué vertebrados bucean:
Primariamente Acuáticas Primariamente no acuáticas
Pinguinos Ratites (aveztruz, ñandú)
Gaviformes Halcones
Podicipédidos Gallinas y faisanes
Petreles y albatros Palomas
Pelícanos Loros
Ardeidos Lechuzas
Patos Caprimúlgidos
Zancudas Colibríes
Gaviotas Carpinteros
Alcas
Passeriformes (Fringílidos,
Túrdidos, Hirudínidos, etc.
Familias de aves acuáticas
83. II. Fisiología del Buceo: Apneas
Mamíferos marinos son los principales buceadores:
Cachalote: 3,000 m (138 min)
Elefante marino: 1,600 m (80 min)
Pingüino emperador: 500 m (25 min)
Tortugas marinas: 1,300 m
( 5 horas)
Para realizar inmersiones los vertebrados necesitan
mantener la respiración y dependen de la reserva de
oxígeno (buceos breves)
Sperm whale
Humano: 121 m ( 3 min)
214 m
(11 min)
84. II. Fisiología del Buceo: Apneas
Como soportan los organismos buceos prolongados (metabolismo anaerobio)
Ajustes fisiológicos:
Aumento de las
reservas de oxígeno
Disminución de las
demandas de oxígeno
Marco A. Medina
85.
86. II. Fisiología del Buceo: Apneas
Aumento de las reservas de oxígeno:
a) Sangre
b) Músculo
c) Pulmones
Hemoglobina
Mioglobina
5 veces más que el humano
80 mg/gr de músculo foca
5 mg/gr de músculo humanoMenores
Narcosis por Nitrogeno
Presión
Barotraumas
Cómo evitarlo?
vaciado de pulmón
100 mg/gr de músculo
elefante
87. II. Fisiología del Buceo: Apneas
1) Qué pasa cuando un animal buceador sostiene la
respiración para bucear?
!
a) El oxígeno se acumula en el tejido muscular en forma de mioglobina y
en la sangre en la hemoglobina.
!
Marco A. Medina
b) El cuerpo comienza a producir energía por la ruta anaerobia debido a la
falta de oxígeno(metabolismo anaerobio) Y se acumulan productos de
desecho metabólico (CO2 y ácido láctico)
88. II. Fisiología del Buceo: Apneas
c) La presión comienza a aumentar por lo que el volumen pulmonar
disminuye (aumentando la presión parcial de los gases) Efecto bueno o
malo?
d) Para evitar la Narcosis, exhalan aire y se lleva a cabo un colapso de
los alveolos
Marco A. Medina
90. II. Fisiología del Buceo: Apneas
e) Durante un buceo prolongado comienzan a bajar su tasa metabólica.
!
f) Arteriolas se contraen (músculo esquelético, piel, riñones e intestinos)
y se desvía la sangre a corazón y cerebro.
!
g) Músculos lisos y bazo se contraen obligando a los eritrocitos
saturados de O2 se introduzcan en el sistema circulatorio.
!
h) Bradicardia
Marco A. Medina
91. Preguntas de tarea
1.- Muy pocos animales que utilicen la respiración acuática cuentan con pulmones.
En su lugar la mayoría emplea branquias para el intercambio gaseoso. Que
desventajas funcionales presentan los pulmones en el agua?
2.- Que efectos puede esperarse de un mamífero cuya hemoglobina principal ha
mutado de tal modo que carece del efecto Bohor?
3.- Por qué la difusión es una estrategia respiratoria ineficaz para los organismos
que superan los pocos milímetros de espesor?
4.- Explique por qué no se puede bucear con O2, si eso ayudaría a
evitar el fenómeno de narcosis?
5.- Describa las variaciones en la presión alveolar e intrapleural durante un
ciclo de ventilación en los mamíferos
6.- Compare y contraste el efecto Bohor y el efecto Root
7.- Indique cómo los quimiorreceptores influyen en el proceso de ventilación de
los mamíferos y de que manera se diferencian entre los terrestres y marinos.