unidad ii respiración

Respiración y Transporte de

Gases

Marco A. Medina

Superficie respiratoria

Ventilación.

Transporte de gases.

Efecto Bohr.

Efecto Root.

Hipoxia.

Hemoglobina

Mioglobina

Eckert, Capítulo 14, Intercambio de gases: 474-520.

Hoar, Capítulo 13, The exchange of gases: 495-547.

Schmidt-Nielsen, Capítulo 1, Respiration: 5-66.

Marco A. Medina

Proceso continuo.

Introducción

Respiración: interna (celular) y externa (superficie respiratoria).

Marco A. Medina

IntroducciónRespiración 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

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

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

Introducción

Marco A. Medina

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.

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

Introducción

Marco A. Medina

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

A medida que aumenta la complejidad del animal aparecen estructuras especializadas para hacer más eficiente el proceso de la difusión.

Marco A. Medina

Gran superficie.

Superficie delgada.

Muy vascularizada.

Húmeda.

Superficies respiratorias especializadas

Acuáticos Vs. Terrestres

Marco A. Medina

Gran superficie.

Superficie delgada.

Muy vascularizada

Acuáticos

Marco A. Medina

TerrestresGran superficie.

Superficie delgada.

Muy vascularizada.

Húmeda.

Protegida

Marco A. Medina

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

Organos respiratorios

Branquias

!

Pulmones

!

Traqueas

Marco A. Medina

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

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.

Ventilación unidireccional

Peces agnatos

Respiración en peces

Marco A. Medina


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.


Marco A. Medina

Sistema de intercambio a contracorriente

Marco A. Medina

Superficies de intercambio gaseoso

Marco A. Medina

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

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

Respiración pulmonar

Pulmones de ventilación

Pulmones de difusión

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


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


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…

Será igual la respiración de

la rana durante todo

un año?

Marco A. Medina


Varía la captación de O2 con la temperatura?


…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

Respiración en mamíferos

En los humanos, la superficie respiratoria de los pulmones = 70 a 80 m².

Marco A. Medina

Respi

Como varía la superficie pulmonar en los mamíferos?

Marco A. Medina

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

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

Transporte de gases

O2 CO2

Marco A. Medina

Transporte de gasesSANGRE !

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

Transporte de gasesn 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

Pigmentos respiratorios

Hemoglobina.

4 gpos hemo.

Mioglobina, similar a una subunidad de la Hb.

El Oxígeno se une al ion metálico de los grupos hemo.

4 O2 por 1 Hb.

Anillo de porfirina

Neuroglobulina

Citoglobulina


Vertebrados

Nemátodos

Anélidos (algunos)

Crustáceos (algunos)

Insectos (algunos)

n Otros pigmentos respiratorios: !

n Clorocruonina ??? n Hemocianina???? n Hemeritrina ???


Marco A. Medina


CHOnClorocruonina

Anélidos (algunas familias)

Marco A. Medina


nHemocianina

ArtrópodosCrustáceos Arácnidos

MoluscosBibalvos (algunos) Gasterópodos (algunos) Cefalópodos (todos) Marco A. Medina


nHemeritrinaSipuncúlidos Priapulidos Branquiópodos Anélidos (solo en una familia) Magelonidae

Marco A. Medina


• 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

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

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

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

Por ejemplo, durante el ejercicio:

Marco A. Medina

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.

n Qué pasa con la Hb materna y fetal?

Marco A. Medina

n Hb de las Llamas?

Menor afinidad = mayor metabolismo?

Marco A. Medina

Qué observas en esta gráfica?

Marco A. Medina

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

Efecto Bohr

Hemocianina cangrejo

Marco A. Medina

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

De qué manera la temperatura afectaría la curva de disociación del

Oxígeno?

Marco A. Medina

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

Trasporte CO2

Se capta en los tejidos.

Difusión.

Marco A. Medina

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

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:


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

Cuando los eritrocitos llegan a los pulmones, la reacción ocurre en sentido inverso:


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

Marco A. Medina

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

Fisiología del buceo

n Adaptaciones anatómicas.

!n Adaptaciones

fisiológicas.

Marco A. Medina

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

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.

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

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

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

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

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

http://www.pinnipeds.org/species/ribbon.htm

Marco A. Medina

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

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 OrnitorrincoMarsupiales 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


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


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)


Como soportan los organismos buceos prolongados (metabolismo anaerobio)

Ajustes fisiológicos:

A u m e n t o d e l a s reservas de oxígeno

Disminución de las demandas de oxígeno

Marco A. Medina


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


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)


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


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

Preguntas de tarea1.- 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.

unidad ii respiración

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