Tema 8, 9 y 10 - Temas 8,9 y 10 PDF

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Temas 8,9 y 10...

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BLOQUE III

TEMA 8 SISTEMAS RESPIRATORIOS CONSIDERACIONES GENERALES La mayoría de los animales dependemos de la respiración mitocondrial para obtener el ATP que necesitamos para llevar a cabo nuestras funciones celulares habituales La respiración celular o la respiración mitocondrial consiste en; lo que hacen las mitocondrias en ese proceso es oxidar carbohidratos y aminoácidos, y también con el fin de obtener ATP y este proceso requiere O2 y va a ocasionar la liberación de co2. Con el fin de satisfacer nuestras necesidades metabólicas los animales tenemos que obtener oxigeno del medio y desechar el CO2.

El consumo de oxigeno por parte de las mitocondrias va a producir un gradiente de concentración de tal manera que el oxígeno va a tender a desplazarse desde el exterior de la célula hasta el interior de la mitocondria, el CO2 va a tender a desplazarse desde el interior de la mitocondria hasta el exterior de la célula. En organismos acuáticos unicelulares, o también en organismos acuáticos pluricelulares de pequeño tamaño, este gradiente de concentración es suficiente como para que se produzca un intercambio gaseoso satisfactorio, estes pequeños animales no necesitan nada más para poder llevar a cabo su intercambio gaseoso. En los animales que obtienen el oxigeno a partir del aire es necesario un paso adicional; estos animales necesitan en primer lugar disolver el oxigeno gaseoso para que este puede atravesar las membranas celulares y después también, lo que ocurre en animales de tamaño considerable es que es la velocidad a la cual ocurre la difusión del oxigeno no es suficiente como para mantener un intercambio gaseoso y en consecuencia estos animales grandes van a depender de una combinación de flujo global y difusión para llevar a cabo su intercambio respiratorio, no es suficiente con ese gradiente de concentración que ocasiona que el oxigeno se difunda hacia el interior de las mitocondrias y el CO2 difunda hacia el exterior de la célula, en estos animales vamos a necesitar flujo global o mecanismos de ventilación.

En los animales que toman oxigeno a partir del aire y en animales grandes, no es suficiente con la difusión del oxigeno gracias al gradiente de concentración sino que estos animales dependen de una combinación de flujo global y difusión. Las estrategias que utilizan esos animales se pueden clasificar en tres grandes categorías, atendiendo a la presencia de

mecanismos de ventilación, sistemas circulatorios y superficies especializadas en el intercambio gaseoso: -La estrategia mas sencilla es; lo que hacen muchos animales es impulsar el medio externo a través de cavidades corporales internas, esto ocurre en animales acuáticos como esponjas y cnidarios, impulsan el medio externo en este caso, el agua de mar, a través de una cavidad corporal interna, y a continuación lo que ocurre es que el oxigeno difunde hacia las células y el CO2 sigue el camino inverso. Esta estrategia es muy semejante a la que presentan organismos totalmente distintos como son los insectos, pero desde un puno de vista conceptual, la estrategia es la misma. Los insectos presentan una red de tubos huecos que recorren todo el cuerpo del animal, el sistema traqueal. De esta manera lo que hacen los insectos es que utilizan esta red para transportar el medio externo, en este caso el aire hasta los tejidos y una vez que el aire llegue a los tejidos, entonces el oxigeno se disuelve en el líquido extracelular y difunde hacia la mitocondrias, mientras que el CO2 sigue el camino inverso. Tenemos las mismas etapas que teníamos en cnidarios y esponjas; primero flujo global del medio a lo largo de una cavidad interna del animal y segundo difusión de oxigeno hacia las células y de CO2 desde el interior de las células hasta el exterior.

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Esta segunda estrategia implica la presencia de un sistema circulatorio: la presencia de este sistema va a conllevar un paso adicional, va a ser necesaria una segunda difusión. En esta estrategia tenemos tres etapas debido a la presencia del sistema circulatorio tenemeos dos difusiones: una primera difusión ocurre entre el medio externo y el liquido circulatorio y que implica el paso de los gases del oxígeno externo al medio interno, después tenemos flujo global con ese líquido circulatorio y después existe una segunda difusión desde el líquido circulatorio hasta las células. Esta presente en animales como las samesugas, las sanguijuelas, en miñocas,.. en donde lo que hace el oxígeno es difundir a través de la pared corporal y es transportado a lo largo de todo el cuerpo a través del sistema circulatorio.

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La tercera estrategia y la más complicada de todas es la que en donde los animales presentan órganos respiratorios especializados. Esos órganos respiratorios son tanto

los pulmones como las branquias internas. En estos animales, se impulsa el medio externo a través de sus superficies de intercambio gaseoso, y esto es lo que se denomina ventilación (impulso del medio externo a través de la superficie de intercambio respiratorio). El proceso de intercambio gaseoso esta formado por cuatro pasos: el primer lugar tenemos e flujo del medio por la superficie de intercambio respiratorio, es decir, la ventilación; en segundo lugar tenemos la difusión a través de esas superficies, el oxígeno pasaría de la superficie de intercambio gaseoso al sistema circulatorio; en tercer lugar tendríamos flujo en el sistema circulatorio, lo que se denomina el transporte gaseoso ; y por ultimo tendríamos la difusión a los tejidos, la difusión del oxigeno desde el liquido circulatorio a los tejidos, en el caso del dióxido de carbono sería de los tejidos al liquido circulatorio.

TIPOS DE SISTEMAS RESPIRATORIOS Tan solo los animales de muy pequeños tamaño puede depender simplemente de la difusión, es decir de ese movimiento del oxigeno y del CO2 debido a un gradiente de concentración para satisfacer sus necesidades metabólicas. Esto es así por dos motivos principales: en primer lugar, cuando un animal aumenta su tamaño es que disminuye también su relación superficie-volumen, y en consecuencia disminuye el área disponible para la difusión, en relación con el volumen; la segunda razón es que con el aumento del tamaño también ocasiona que el oxígeno deba difundir a lo largo de distancias mayores y esta difusión a lo largo de grandes distancias también implica que los animales necesiten más tiempo para que se produzca la difusión. Los datos obtenidos a partir de organismos unicelulares reales sugieren que por lo general un animal esférico acuático y con un metabolismo activo no puede superar el milímetro de diámetro o por el contrario se va a ver limitada su capacidad de difusión a través de su superficie. Este ejemplo es una simplificación de la realidad por dos motivos: en primer lugar, la difusión de los gases, no es el único medio a través del cual estos gases o bien llegan a la superficie de un organismo o bien abandonan la superficie de un organismo. Los ambientes reales casi nunca permanecen completamente inmóviles con moléculas que se mueven únicamente por difusión, por el contrario los fluidos ambientales se desplazan por lo general por flujo global como resultado bien de la temperaturas en el agua, que ocasiona que se produzcan corrientes o bien también por le movimiento de los organismos en ese fluidos, los propios animales se desplazan en su ambientes, o cuentan con cilios o flagelos que se mueven y dado que ese movimiento del fluido externo, del agua o el aire que rodea al animal pues renueva constantemente el oxígeno que está en la superficie del organismo se evita una formación de una capa externa estática y carente de oxigeno y en consecuencia los organismos que habitan medios fluidos de flujo rápido pueden presentar tamaños mayores que los organismos que habitan medios completamente inmóviles en donde ahí si que se formaría esa capa externa carente de oxigeno que reduciría

considerablemente la eficacia de la respiración. Un organismo circular con un metabolismo activo por mucho que viva en un medio en donde el flujo es rápido, tampoco puede conseguir tamaños que superan varios milímetros de diámetro, por lo general los fluídos ambientales se desplazan, no son ambientes inmóviles; y la segunda simplificación esta en que los organismos no tienen necesariamente forma esférica, hay animales c on cuerpos largos y delgados , también hay muchos animales que presentan pliegues en su superficie corporal y de esa manera a medida que aumenta el tamaño del animal, pues también aumenta su relación-superficie volumen. Antes cuando consideramos un animal circular decíamos que este no podía superar el diámetro de varios milímetros pero en la imagen podemos ver un animal que tiene una longitud de 60cm y una anchura de 20cm y que aun así depende fundamentalmente y únicamente de la difusión de gases para satisfacer sus demandas metabólicas, los platelmintos marinos están entre los animales de mayor tamaño que dependen fundamentalmente de la difusión de gases. Con animales con tamaños mayores debemos acudir a otras estrategias, los animales que ya presentan grosores de varios milímetros tienen que presentar estrategias que les permitan de alguna manera transportar el oxígeno hasta sus células, y transportar el dióxido de carbono fuera de su cuerpo. Estas estrategias son:

1. Circulación del medio externo por el interior de su cuerpo: esta estrategia esta presenta en cnidarios, en esponjas, pero también en muchos artrópodos terrestres que exhiben respiración traqueal. 2. Difusión de gases por la superficie del cuerpo acompañada de transporte circulatorio: es lo que se conoce como respiración cutánea. Hay muchos invertebrados acuáticos que tienen respiración cutánea, también anélidos terrestres y mismo algunos vertebrados como pueden ser ranas y píntegas. Los hueves de las aves son un caso especial de respiración cutánea, de hecho a pesar de que estos huevos puede alcanzar tamaños considerables, en ellos todo el intercambio gaseoso se lleva a cabo por difusión del oxigeno y del CO2 a través de los poros de la cáscara. La respiración cutánea presenta ciertas limitaciones: 2.1 La piel es extremadamente delgada, que es necesaria en estos animales para tener tasas de difusión de los gases eficaces, también ocasiona que los animales sean vulnerables a depredadores, a daños mecánicos, a daños químicos, porque su cuerpo no presenta una cubierta protectora. 2.2 La pared corporal del animal tiene que mantenerse húmeda para que el oxigeno puede disolverse y pueda atravesar las membranas celulares, y en consecuencia pues

los animales que presentan respiración cutánea, están restringidos a ambientes acuáticos o bien a ambientes terrestres sumamente húmedos. 2.3 Como resultado de las dos anteriores limitaciones lo que va a pasar es que lo animales con respiración cutánea presentan por lo general unas superficies cutáneas reducida. Algunas excepciones curiosas a estas dimensiones reducidas de la superficie cutánea son dos anfibios que se encuentran en las imágenes. El primero es la rana gigante del Tititaka, que presenta numeroso pliegues en su piel, y en consecuencia no se ajusta a estas dimensiones reducidas de superficie cutánea; y la segunda son los machos de ranas peludas, en la imagen se ve que estos machos presentan proyecciones de su piel que están profusamente irrigadas, en el entorno de las ancas y en el entorno de los costados, estas proyecciones están únicamente presentes en la época de apareamiento y se supone que tiene que ver con la mayor demande metabólico que los machos presentan en ese periodo de su ciclo vital debido a las actividades de busca de pareja y cortejo tienen mayores demandas energéticas y eso hace que aparezcan esas proyecciones que les hacen incrementar el intercambio gaseoso, pero lo cierto es que incrementar el intercambio gaseoso a través de un incremento de la superficie global del cuerpo es una estrategia relativamente rara en el reino animal. La mayoría de los animales lo que hacen es lo del apartado 3. 3. Presencia de superficies respiratorias específicas: Los animales limitan el intercambio gaseoso a determinadas regiones del cuerpo, y eso permite que esas regiones del cuerpo presenten superficies extensas pero no incrementan de manera global la

superficie del cuerpo. Con la creación de estas superficies especificas para el intercambio gaseoso, pueden presentar superficies respiratorio que son delgadas , húmedas y extensas al tiempo que el resto del cuerpo permanece protegido. Hay dos grandes tipos principales de superficies respiratorias especializadas, que son: -Los pulmones: se generan como invaginaciones de la superficie corporal y lo que van a constituir en el interior del cuerpo es una cavidad que contiene el medio externo.

-Las branquias se originan como evaginaciones de la superficie corporal, y pueden o bien ser externas como en la figura central o bien como se ve en la figura de la derecha, pueden estar localizadas dentro de una cavidad respiratoria y protegidas por una placa u otro tipo de estructura.

LA VENTILACIÓN La ventilación permite que el medio externo fluya sobre la superficie de intercambio gaseoso y en consecuencia lo que va a provocar es que reduce la formación de capas externas estáticas carentes de oxigeno, en definitiva lo que hace la ventilación es mejorar de manera notable la eficacia del intercambio gaseoso. Existen dos tipos de ventilación: -La ventilación pasiva: el animal no participa. Se dice que un animal presenta ventilación pasiva cuando el proceso depende únicamente de los movimientos naturales del medio externo. Ejemplo: esto ocurre en animales acuáticos que presentan branquias externas que son inmóviles, de tal manera que el movimiento del medio externo sobre la superficie de intercambio gaseoso depende únicamente de los propios movimientos del medio externo, pero el animal no participa en el proceso. -La ventilación activa: es el animal el que provoca el movimiento del medio sobre la superficie de intercambio gaseoso. Distinguimos tres tipos: a) Ventilación activa no direccional: lo que va a ocurrir es que el medio fluye por la superficie de intercambio gaseoso con un patrón impredecible, esto ocurre en animales que baten sus branquias en el medio externo como por ejemplo la larva de femeróptero que se muestra en la imagen. Estas larvas lo que van a hacer el batir sus branquias que son branquias ¿?, lo que va a provocar es que el agua fluya sob re estas branquias pero el patrón va a ser completamente imprevisible b)Ventilación activo corriente: está presente en animales que tienen o bien pulmones o bien branquias internas y por lo que se caracteriza este patrón de ventilaciones porque el medio externo va a entrar y salir de la cámara por el mismo lugar. En nuestros pulmones, existe un único conducto, la tráquea de entrada y salida del medio externo y eso implica que el animal en un momento dado tenga que invertir la dirección del medio porque el medio entra en la cámara respiratoria y como debe volver a salir por el mismo lugar, el animal tiene que dedicar energía a invertir la dirección del medio.

c) Ventilación activa unidireccional: se caracteriza porque en ella el medio externo penetra en la cámara respiratoria por un lugar y sale por otro distinto, y esto lo que ocasiona es que el flujo a través de la superficie de intercambio respiratorio pues ocurra en una única dirección. La ventilación no es el único proceso que va a influir en la eficacia de la respiración, el otro proceso que tiene una enorme influencia en la eficacia del intercambio respiratorio pues es el modo en que la sangre fluye a lo largo de la superficie de intercambio gaseoso, el transporte sanguíneo a lo largo de la superficie de intercambio gaseoso. a) Ventilación no direccional: En la imagen de la izquierda, en los animales con ventilación no direccional, la sangre cuando abandona la superficie de intercambio respiratorio va a presentar una presión parcial de oxigeno que es muy semejante a la presión parcial del oxigeno del medio externo. Esto ocurre únicamente cuando ese medio externo está bien mezclado, si por cualquier motivo se incrementa la distancia de difusión entonces se va a producir una caída en la eficacia del proceso y va a ocasionar que la presión parcial del oxigeno en la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio pues sea menor que la de l medio externo. Esto se ve por ejemplo en la figura de la derecha, ahí se ve que por un motivo que puede ser por ejemplo que ese medio no esta tan bien mezclado como el de la parte de la izquierda, se ve que la distancia de difusión es mayor y en consecuencia se ve que la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio pues va a presentar una presión parcial de oxigeno que es considerablemente inferior a la presión parcial del oxigeno en el medio. La concentración de oxigeno en la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio y es aproximadamente igual a la concentración de oxigeno en el medio externo, pero siempre y cuando el medio externo este bien mezclado, si por cualquier motivo ese medio n esta mezclado, entonces, se observara una disminución en la eficacia del proceso y la concentración de oxigeno en la sangre que abandona esa superficie de intercambio respiratorio será menor. b) La ventilación corriente es la que presentamos nosotros, o la que presenta cualquier animal que tiene pulmones y donde el medio entra y sale de la cavidad respiratoria por el mismo lugar. Lo primero que hay que tener en cuenta es que la mayoría de los animales que presentan ventilación corriente no vacían por completo su cavidad respiratoria; nosotros cuando exhalamos no vaciamos por

completo nuestros pulmones y esto ocasiona que cuando inhalamos, el aire que entra se mezcla con el medio residual desoxigenado que quedaba en la cavidad respiratoria y en consecuencia la presión parcial del oxigeno en la cavidad respiratoria siempre es menor que la presión parcial del oxigeno en el medio externo. La concentración de oxígeno en nuestros pulmones no es la misma que la concentración de oxigeno en el medio, porque en nuestros pulmones siempre queda algo de aire, de tal manera que cuando inhalamos ese aire nuevo se mezcla con aire viejo que está desoxigenado. ¿Qué es lo que pasa con la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio? Si la distancia de difusión es reducida, esta sangre lo que va a presentar es una presión parcial de oxigeno muy semejante a la del aire exhalado. c) En la ventilación unidireccional: la sangre en la superficie de intercambio respiratorio puede fluir de tres maneras distintas respecto el flujo del medio, y la concentraciones de oxigeno en la sangre que abandona esas superficie de intercambio respiratorio varia co nsiderablemente entre las tres situaciones: -

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Flujo concorrente: La sangre puede fluir en el mismo sentido que el medio. La sangre está representado en rojo y el medio en azul. Sangre y medio pueden fluir en la misma dirección. La presión parcial del oxigeno en la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio es aproximadamente igual a la presión parcial del oxigeno del medio exhalado, esto es así porque cuando la sangre desoxigenada entra en la superficie de intercambio gaseoso con lo que se encuentra es con el medio inhalado completamente oxigenado y entonces a medida que fluye a través de la superficie de intercambio gaseoso pues debido a este gradiente de presiones parciales pues va progresivamente oxigenándose, se van a equilibrar las presiones parciales de ambos medios. Flujo contracorriente: Sangre y medio pueden fluir en direcciones opuestas. La sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio y se ve que la presión parcial del oxigeno en la sangre que abandona la superficie de intercambio respiratorio es aproximadamente igual a la del aire inhalado, esto ocurre porque en este caso la sangre y el medio fluyen en direcciones opuestas de tal manera que existe un

gradiente de presiones parciales todo a lo largo de la superficie de intercambio gaseoso de tal manera que a medida que la sangre fluye a través de esta superficie se va progresivamente enri...