Bases Biológicas y
Ambientales de la Salud
Clase 2015-II
OBJETIVOS
Reconocer los mecanismos de la homeostasis y su
relación con la termodinámica y el metabolismo
Comprender los procesos de termorregulación en el
mantenimiento de la homeostasis
HOMEOSTASIS
¿Qué es homeostasis?
Claude Bernard:
"todos los mecanismos vitales, por muy variados que sean, tienen un fin, mantener la constancia del medio interno, ...lo que es la condición de la vida libre"
Walter B. Cannon:
Acuño el termino Homeostasis (Homeo = semejante; estasis= condición) para “describir y/o definir la
En general…
•
El universo tiende al desorden
:
–
Necesita menos energía para su mantenimiento
•
Los seres vivos tienden al orden
:
–
Necesitan mucha energía para su mantenimiento
•
¿Por qué?
Para asegurar la supervivencia y
¿Cómo se mantiene la homeostasis?...Por el
metabolismo
• Estudia los mecanismos de control químico que ocurren dentro de los organismo vivos.
– Expresión de genes
– Vías de biosíntesis y catálisis enzimáticas
– Modificación, transformación y
degradación de sustancias biológicas
– Regulación bioquímica de las acciones e interacciones de tales sustancias
– Vías de obtención, almacenamiento
El metabolismo es un proceso de formación y
destrucción…
Catabolismo
• Descomposición de sustratos
orgánicos
• Libera energía para síntesis de ATP
• Procede en una serie de pasos
Anabolismo
• Síntesis de nuevas moléculas
orgánicas
• Realización de funciones celulares
Los sistemas de retroalimentación regulan las
condiciones internas
Propiedades de la homeostasis
1. Importancia tanto del sistema nervioso como del endocrino
en el mantenimiento de los mecanismos de regulación.
2. Nivel tónico de actividad: Un agente puede existir cuando tiene una moderada actividad que puede variar ligeramente arriba o abajo.
Propiedades de la homeostasis
4. Señales químicas puede tener diferentes efectos en
diferentes tejidos corporales: antagonistas en una región del cuerpo, pueden ser agonistas en otras regiones.
5. La homeostasis es un proceso continuo que implica el registro y regulación de múltiples parámetros.
6. La efectividad de los mecanismos homeostáticos varía a lo largo de la vida de los individuos.
7. Un fallo de los mecanismos homeostáticos produce
Factores que Influyen en la Homeostasis
•
Medio Interno:
–
Productos de deshecho del metabolismo.
•
Medio Externo:
–
Independencia de los organismos con su entorno
mediante la captura y conservación de la energía
procedente del exterior.
–
La interacción con el exterior se da por sistemas
TERMORREGULACIÓN
Según las leyes de la termodinámica…
•
Todos los seres vivos realizan continuamente
intercambio de energía
con el entorno:
ambiente
térmico.
–
La fuente primaria proviene de la radiación solar.
Si clasificamos a los seres vivos
según
su capacidad de regular su
temperatura corporal
…
POIQUILOTERMOS
• No pueden regular su
temperatura corporal y la mantienen cercana a la temperatura ambiental.
• Animales de “sangre fría” • Reptiles, anfibios, peces e
invertebrados
HOMEOTERMOS
• Mantienen su temperatura
corporal estable (+/- 2°C) a pesar de las variaciones en la temperatura ambiental.
• Animales de “sangre
caliente”
…y si los clasificamos
según la fuente de
calor
Endotérmicos
• Mantienen su temperatura corporal (Tc) generando calor por medio del metabolismo • Mamíferos y aves
• : VO2 y Producción de calor • Baja conductividad térmica
Ectotérmicos
• Mantienen su Tc a través de fuentes externas de calor (sol) • Reptiles, anfibios, y mayoría de
peces e invertebrados
Intercambio de calor con el ambiente
Ley de la conducción de calor de Fourier:
Mecanismos de intercambio de calor con el
ambiente
• CONDUCCIÓN: Transferencia de calor por contacto directo
• RADIACIÓN: Transferencia de calor entre dos cuerpos sin contacto por la emisión de energía electromagnética.
• EVAPORACIÓN: Se pone en marcha por encima de determinadas temperaturas. Se produce sudor que se evapora por el calor.
• CONVECCIÓN: Transferencia de calor por movimiento de un
Para regular su temperatura, producir y
gastar energía:
Tasa metabólica
•
Cantidad de energía total empleada por un animal por
unidad de tiempo
–
Tasa de liberación de calor durante las reacciones
químicas del metabolismo celular.
•
Depende de:
–
E
dad,
S
exo,
T
amaño,
T°
ambiental y corporal,
T
ipo y
C
antidad de alimento ingerido,
G
rado de actividad,
D
isponibilidad de O
2,
H
ormonas,
E
stado de salud,
Tasa metabólica basal (TMB)
• TM en condiciones mínimas de estrés fisiológico y ambiental. • Número de calorías que utiliza el cuerpo cuando está en
reposo
– Ayuno: 12h
– T° ambiente: 25°
Tasa metabólica basal (TMB)
• Gastada en:
– Mantenimiento de las
funciones orgánicas
– Homeostasis corporal – Estimulación del SN
simpático
– Mantenimiento de la
temperatura corporal
•
Depende de:
– Respiración – Digestión
– Ritmo cardíaco – Función cerebral. – Edad
– Sexo – Peso
Tasa metabólica estándar (TME)
• TM en condiciones mínimas de estrés fisiológico y ambiental y a una T° dada
• Objetivo:
– Estudiar el efecto real de un factor dado sobre el
metabolismo energético
– Comparar la TM inter- o intra- especies
Termorregulación en endotermos
El hipotálamo
El termostato hipotalámico
• El Hipotálamo integra los diferentes mecanismos de
producción y pérdida de calor con sus correspondientes procesos físicos y químicos.
• Centros involucrados:
– Región pre-óptica del hipotálamo anterior: centro que
regula el exceso de calor.
– Hipotálamo posterior: centro de mantenimiento del calor
Sistema regulador de la temperatura
• Sistema de control: Retroalimentación negativa • Elementos:
1. Receptores que perciben las temperaturas existentes en el núcleo central.
2. Estructuras integradoras que determinan si la
temperatura existente es demasiado alta o demasiado baja y que activan la respuesta motora apropiada.
Termorreceptores
• Corpúsculos de Krause: Están en la
superficie de la dermis y son
sensibles a las bajas temperaturas (sensación de frío). Se encuentran en mayor número.
• Corpúsculos de Ruffini: Se localizan
a mayor profundidad que los corpúsculos de Krause y son sensibles a los aumentos de
Detección del frío
• Los estímulos aferentes de los receptores llegan hasta el hipotálamo posterior.
• Se activa el mecanismo necesario para conservar el calor: – Vasoconstricción de la piel y piloerección.
– Señales procedentes de los receptores cutáneos y medulares estimulan el "centro motor primario para el escalofrío“.
– Activación del eje H-H-Tiroideo (TRH – TSH – T4/T3)
Detección de calor
• Las vías eferentes llevan información a la región pre-óptica del
hipotálamo anterior
• Inicio del mecanismo de perdida de calor: – Aumento de sudor
– Vasodilatación en la piel de todo el cuerpo.
– Disminución del tono de la musculatura estriada.
– Inactivación del eje H-H-Tiroideo (↓TRH ↓TSH ↓T4)
– Reacción inmediata que causa pérdida de calor y ayuda al
La temperatura corporal en ectotermos
• Temperatura corporal es la variable ecofisiológica mas
importante que afecta el performance de los ectotermos
• Temperatura óptima: temperatura corporal de máximo
Ectotermos acuáticos
•
No evaporación, No radiación.
•
Regulación por conductividad térmica para minimizar la
pérdida de calor.
•
Agua alta conductividad térmica que favorece la perdida
de calor.
•
Animales voluminosos: > relación área
superficie/volúmen
Ectotermos terrestres
•
Clasificación:
–
Heliothermia: Obtienen calor del sol.
–
Thigmothermia: Obtienen calor de los sustratos
•
Temperatura corporal se controla por una
Ectotermos congelados
•
Permitir el congelamiento extracelular de sus tejidos
(sapos).
•
Usar un
anticongelante
–
Glicerol (artrópodos)
–
Glicoproteinas (peces)
•
Supercongelamiento:
Líquidos corporales no pasan a
Beneficios de la ectotermia
•
La
energía de mantenimiento se reduce
–
Vida posible con poco alimento
–
Vida posible en habitats donde la comida es
estacional.
•
Gran eficiencia
en la relación:
–
Energía absorbida/energía usada en desarrollarse
Costos de la ectotermia
•
No todos los hábitats tienen suficiente cantidad de
energía solar
.
•
La
temperatura corporal
puede ser insuficiente para
mantener la actividad física.
•
Los
periodos de inactividad
son periodos más
Efectos de escala: Isometría
• Una relación isométrica ocurrirá cuando las proporciones de
las dimensiones corporales varían proporcionalmente:
– Ejemplo: Cuando la altura es el doble, la longitud del brazo
es el doble etc…toda relación linear es el doble
– Pero…. el volumen se convierte en 8 veces mayor que el
Relación Superficie/Volumen
• El tamaño de un animal influye a través de la relación superficie/volumen
• Cuanto mayor sea el individuo mas pequeña es esa relación.
• Endotermos: tienen que eliminar el exceso de calor producido
por su metabolismo a través de la superficie del cuerpo
• Mas difícil cuanto menor sea la superficie relativa, es decir,
OSMORREGULACIÓN
¿Qué es la Osmorregulación?
• Término acuñado por Rudolph Höber en 1902
• Referente a los procesos relacionados con la regulación de la presión
osmótica y la concentración de sales.
• Implica el mantenimiento de una concentración osmótica interna diferente de la del medio
• La regulación de la composición y de las concentraciones iónicas en diversos compartimentos (células y tejidos)
¿Qué es Ósmosis?
• Difusión de agua a través de una
membrana selectivamente permeable.
• La dirección de la ósmosis se
determina sólo por la diferencia en la
concentración total del soluto.
• Entonces, el agua difundirá a través
¿Qué es Tonicidad?
• Capacidad de una solución de causar que una célula gane o pierda agua.
• Completando el concepto de Osmosis: Difusión del agua a través de una membrana de una región de menor
Otros conceptos…
• Osmolaridad (osmoles/lt) de una solución depende del número de
partículas disueltas y puede establecerse sin saber qué solutos específicos están presentes.
– Es una expresión de la concentración de la solución que indica las concentraciones molares de todas las partículas activas de un soluto en la ósmosis
• Molaridad (moles/lt): Concentración de soluto disuelto en 1lt. de solución
• Presión osmótica: Se define como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una
Flujo de agua
•
INGRESO
–
Bebida
–
Resultado de reacciones metabolicas
–
Osmosis
•
SALIDA
Clasificación de los ambientes
•
Marino
Clasificación según la tolerancia al medio
ESTENOHALINOS
•
Tolerancia limitada a los cambios en las
concentraciones del ambiente externo.
EURIHALINOS
•
Toleran un intervalo mas amplio de
En animales acuáticos…
• Osmoconformadores:
La concentración interna varia paralelamente con los cambios del medio externo.
• Osmorreguladores:
Mantienen su concentración osmótica interna en un nivel
constante, aun con cambios en el medio externo:
Órganos reguladores
Protonefridio
• Típicos animales sin celoma
• Serie de túbulos muy ramificados cuyos extremos internos terminan en la
célula flamígera provista de varios flagelos que se dirigen hacia la luz del túbulo.
Metanefridio
• Estructuras abiertas por los dos extremos.
• Uno se abre a la cavidad celómica y tiene forma de embudo
ciliado y el otro extremo se abre al exterior por un poro.
• El líquido en el celoma contiene los productos de desecho, es
recogido por los cilios del nefrostoma, pasa a los túbulos, donde se reabsorben las sustancias que son útiles
• Los desechos salen al
Tubos de Malpighi
• Son tubos delgados, cerrados
por el extremo que se encuentra en la cavidad corporal y abiertos por el otro extremo al tubo
digestivo, entre el intestino medio y el intestino posterior.
• De esta forma, se vierten al
exterior los productos de
Glándula verde
•
Órgano renal de los crustáceos (se ubica en la
cabeza).
•
Presenta filtro, tubo y una especie de vejiga se abre
Riñón
• Glomérulo: filtración
• Tubo contorneado proximal:
reabsorción de sales, agua y nutrientes
• Asa de Henle: concentra la orina
• Tubo contorneado distal:
reabsorbe agua y sales
Estructuras renales
• El rol de los riñones en la adaptación depende de su
capacidad de concentrar o diluir la orina, capacidad que a su vez depende de su estructura.
• En la escala animal se pueden dividir los órganos excretores
de acuerdo a su función en tres grupos:
– Órganos excretores que producen orina isotónica (con
respecto a los fluidos corporales).
Osmoconformes: Elasmobranquios
•
[NaCl] respecto al medio
•
[Urea]
plasmáticaHiperosmorreguladores
• Problema: Hiperosmótico con el medio. • Ganan agua y sales
• Solución:
– Pierden agua y reabsorben sales – Desarrollan órganos excretores
– Producen orina hipotónica a los fluidos corporales
Hipoosmorreguladores
•
Problema: Hipoosmóticos con el medio
•
Solución:
–
Transporte activo con control nervioso y endocrino
–
Adaptaciones morfológicas (piel altamente
permeable)
•
Órganos reguladores:
–
Glomérulos
Animales terrestres
•
Principal problema que deben de enfrentar los
animales de los ambientes terrestres es
EVITAR LA DESHIDRATACIÓN
•
La
Regulación Osmótica
de estos animales
entonces esta basada en mecanismos que
Osmorregulación en ambientes terrestres
•
RESPIRACION AEREA
–
Piel impermeable
–
Perdida de agua por epitelios respiratorios
Osmorregulación en ambientes terrestres
•
MAMÍFEROS Y AVES
–
Superficies permeables reducidas
–
Control hormonal (pe. elevada concentración de
hormona antidiurética)
–
Aves marinas poseen glándula nasal que secretan
una solución hiperosmótica
Osmorregulación en ambientes terrestres
•
MAMIFEROS DESERTICOS Y MARINOS
–
Problema pérdida de agua
–
Conservación de agua en el tracto respiratorio
–
Riñones especializados para concentrar la orina
–
Aprovechan el agua metabólica
Tasa de evaporación