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INSTITUTO SUPERIOR DEL PROFESORADO DE SALTA N°
FISIOLOGIA ANIMAL Y HUMANA
PROFESOR: Tolosa, Luis A.
ALUMNA: Chocobar, Yamila
TEMA:
MECANISMOS ENERGETICOS Y TERMORREGULACION
Introducción El estudio de los mecanismos energéticos y la termorregulación es fundamental para comprender cómo los organismos mantienen su equilibrio interno frente a las variaciones del entorno. En este informe, se exploran los procesos biológicos y físicos involucrados en la gestión de la energía dentro del cuerpo, así como los mecanismos que permiten a los seres vivos regular su temperatura para garantizar un funcionamiento óptimo. La termorregulación, un proceso esencial para la homeostasis, incluye tanto respuestas fisiológicas automáticas, como la transpiración o la vasodilatación, como comportamientos adaptativos en respuesta a cambios térmicos externos. Además, los mecanismos energéticos, que incluyen la producción, almacenamiento y gasto de energía, son cruciales para el desempeño físico y la supervivencia de los organismos. Este informe aborda los principios fundamentales detrás de estos procesos y analiza cómo se interrelacionan para garantizar la estabilidad interna, permitiendo a los seres vivos adaptarse a su entorno y optimizar su rendimiento metabólico.
El término metabolismo engloba la suma total de reacciones químicas que ocurren en un organismo. Las vías metabólicas pueden agruparse en dos categorías principales: el anabolismo, en el que se incorporan sustancias simples a moléculas más complejas, necesarias para el organismo; y el catabolismo, en el que se rompen las moléculas complejas en otras más simples. El anabolismo requiere energía y se asocia con la reparación, la regeneración o el crecimiento. En el catabolismo se produce liberación de energía. Una parte de esta energía se almacena en forma de compuestos fosfatados de gran energía (ATP). En ausencia de un trabajo extremo o de almacenamiento de energía, toda la energía liberada durante el proceso metabólico aparece finalmente como calor. Por esto podemos utilizar la producción de calor como un índice del metabolismo energético. TASA METABOLICA La Tasa Metabólica mide la conversión de energía química a calor y obviamente variará con la temperatura ambiental, la hora del día, la época del año, la edad, el sexo, peso, talla, alimentación, las actividades que realice, etc. Las medidas de Tasa Metabólica pueden utilizarse para calcular las necesidades energéticas en diferentes condiciones que se pueden medir de tres modos: a- Determinando la diferencia entre el valor energético de los alimentos ingeridos y el valor energéticos de los productos de excreción (heces y orina). Suponiendo que no hay gasto en crecimiento, almacenamiento, etc. b- Determinando la producción de calor total del organismo en un calorimetro, a través de lo que se conoce como Calorimetría directa. El animal se coloca en una cámara muy bien aislada, determinandose la pérdida de calor del animal por la subida de temperatura de una masa conocida de agua, empleada como trampa de calor, más el calor latente presente en el vapor de agua del aire espirado y de la humedad evaporada por la piel. Este método es bastante exacto y se emplea para animales pequeños con tasas metabólicas elevadas. c- Determinando la cantidad de O2 consumido en los procesos de oxidación, suponiendo que haya información disponible acerca de qué sustancias han sido oxidadas. Calorimetría indirecta. En la oxidación aeróbica, la cantidad de calor producido se relaciona con la cantidad de O2 consumido y este es un factor que, más o menos, se mantiene constante, independientemente des sustrato metabólico. Una medida del intercambio respiratorio es la respirometría. Transformar la cantidad de O consumido para oxidar un alimento, en el calor producido, requiere conocer las cantidades relativas de C e H oxidados. Algo que se hace muy difícil. Es más fácil medir, junto con el O consumido, la cantidad de C convertido a CO2. La relación entre el volumen de CO2 espirado y el O2 inspirado en un tiempo dado se denomina Cociente Respiratorio - QR-, que nos da una idea del sustrato usado en el metabolismo.
Un mamífero de 100 g consumirá por unidad de masa corporal y unidad de tiempo, mucho más de 0,1 veces la energía que consume un mamífero de 1000 g por unidad de masa y unidad de tiempo. Esta desproporcionalidad que existe entre las tasas metabólicas específicas se ilustra con la conocida curva “Del ratón al elefante” Se ha encontrado así que la Tasa Metabólica es una función exponencial de la masa corporal, descripta por la simple relación: η = a Mb Donde; η: es la Tasa Metabólica M: es la masa corporal a: es un coeficiente de proporcionalidad que varía según la especie y corresponde a la intersección de la línea de regresión log-log b: exponente determinado empiricamente que expresa la tasa de cambio de η al variar la masa corporal (0,75) La Tasa Metabólica Específica, también denominada Intensidad Metabólica, es la tasa metabólica expresada por unidad de masa corporal, o sea mL O2 consumidos por Kg de animal por hr. Y se determina dividiendo ambos términos de la ecuación. η = a Mb = a M (b-1) M M
Un importante principio es evidente al hacer una comparación entre la TM del animal y la TME. La TM total aumenta con la masa corporal, mientras que la TME disminuye con la masa corporal. Este es el sentido de la curva “Del ratón al elefante”. En una muestra amplia de animales vertebrados, invertebrados y varias especies unicelulares, el valor del exponente b se aproxima a 0,75. CLASIFICACIÓN DE LOS ANIMALES SEGÚN LA TEMPERATURA. Fue necesaria una nueva clasificación basada en la fuente de calor corporal; así los animales Endotérmicos lo generan en su interior y los animales Ectotérmicos dependen casi por entero de las fuentes de calor ambiental. Los endodermos, como son animales que generan su propio calor, producen calor metabólico en elevadas proporciones y muchos tienen una conductividad térmica baja, por el buen aislamiento, lo que les permite conservar el calor aunque haya un elevado gradiente térmico con el medio. Las aves y los mamíferos son ejemplos de animales que regulan su temperatura entre límites relativamente estrechos, por eso se dice que son Endotermos Homeotermos. Esta producción de calor tiene un costo metabólico considerable, la TM de un endotermo en reposo es como mínimo cinco veces superior a la de un ectotermo de igual talla y temperatura corporal.
El superenfriamiento o sobreenfriamiento es experimentado por algunos animales que pueden enfriarse por debajo de su temperatura de congelamiento permaneciendo sin congelarse en tanto que no haya núcleos que inicien la formación de cristales de hielo. Esto sucede en ciertos peces de los fiordos árticos que viven permanentemente en sobreenfriamiento, pero deben mantenerse a profundidad para evitar el contacto con nucleadores externos, como el hielo de la superficie, que podría desencadenar la formación de núcleos de hielo dentro del pez. Pero también hay sustancias que actúan como anticongelantes disminuyendo el punto de congelamiento. Numerosos artrópodos (ácaros e insectos) contienen sustancias anticongelantes, como el glicerol, en sus líquidos corporales, así la larva de avispa Bracon cephi puede resistir hasta -47 °C sin formar hielo. Pero también hay proteínas que pueden actuar como anticongelantes; el pez antártico Trematomus contiene una glicoproteína que es 200 a 500 veces más efectiva que el NaCl. Científicos de la Universidad de Alaska (Estados Unidos) han descubierto que la llamada Rana de la madera puede sobrevivir congelada a temperaturas tan bajas como -18 °C. Un alto porcentaje de su cuerpo se congela y la respiración, actividad cerebral y latido cesan por completo. Pueden estar así de 3 a 5 meses. Y luego en unas horas, despertar como si nada. Sobrevive al ser congelada porque satura de azucares su sangre, lo que provoca que los cristales de hielo en el interior de sus células tengan un tamaño limitado haciendo que no perforen las membranas de sus células Una de las causas es la cantidad de nucleoproteínas en su sangre, que evitan que el hielo se organice en grandes cristales que dañarían las células. A su vez, al inicio de la congelación, el hígado sintetiza grandes cantidades de glucosa que funciona como anticongelante de los fluidos celulares. Así, el 65% de su cuerpo se encuentra congelado y el resto en forma líquida. Cuando suben las temperaturas, se descongela primero el corazón para que la circulación se reactive y evitar daños en los demás órganos a medida que se descongelan. Estos animales acumulan glucosa en sus células para estabilizarlas y evitar la pérdida de agua, pero al analizar el tejido de 18 ranas de la madera salvajes, se descubrió que el proceso, llamado crioprotección, aumenta considerablemente en estas. Los análisis revelaron que la concentración de azúcar en ranas salvajes es 13 veces mayor en los tejidos musculares, diez veces mayor en tejidos cardíacos y más del triple en el caso de tejidos hepáticos, comparado con las ranas congeladas en laboratorio. El equipo cree que las ranas llevan a cabo este aumento de glucosa a través de un proceso de congelamiento y descongelamiento que no se observa en las ranas de laboratorio. En estado salvaje, las ranas que hibernan comienzan a descongelarse, provocando un segundo o tercer congelamiento al caer la noche, lo que hace aumentar las reservas de glucosa. En ambiente cálido Dado que el intercambio de calor con el medioambiente se relaciona estrechamente con la superficie corporal, la temperatura de un pequeño ectotermo aumenta o disminuye
rapidamente según las variaciones diarias ambientales. Aunque algunos reptiles puedan tolerar un rango amplio de temperatura corporal, generalmente los ectotermos tienen las funciones obstaculizadas por la temperatura. Una estrategia común en los reptiles es exponer el cuerpo al sol o a la sombra para absorber más o menos calor del ambiente. La efectividad de la termorregulación del cuerpo estará dada por la conductancia térmica de su superficie y esto puede estar regulado por el animal. Por ej, la iguana marina de la Galapagos se da el lujo de elevar su temperatura corporal el doble de rápido de lo que la enfría. Esto lo consigue regulando la frecuencia cardíaca y el flujo de sangre a los tejidos periféricos. Cuando se asolea su elevada conductancia térmica acelera la absorción de calor y calienta su cuerpo de la periferia hacia adentro mediante el flujo sanguíneo. Para alimentarse bucea y para evitar el enfriamiento reduce el flujo sanguíneo a los tejidos periféricos evitando la perdida de calor. Se encuentran varias especies adaptadas a las temperaturas extremadamente altas, por ej. hay cianoficeas como Syne chorococus vive a 75 °C, hay bacterias termófilas a 92 °C, las larvas deshidratadas de la mosca Polyedilum de Nigeria y Uganda soportan hasta 102 °C y los huevos del crustaceo Triops de Sudan se encuentran a 80 °C. ANIMALES ENDOTERMOS En los animales endotermos homeotermicos, como las aves y los mamiferos la temperatura del cuerpo esta controlada por mecanismos homeostáticos que regulan las tasas de producción y pérdida de calor para mantener la temperatura corporal constante e independiente de la temperatura ambiental. En el caso de las aves a 39 °C y en el caso de mamiferos a 37 °C. La producción de calor basal en distintos homeotermos de un cierto tamaño es aproximadamente la misma y 3 a 10 veces superior a la tasa metabólica basal de los ectotermos de talla comparable. Estos mecanismos para conservar y disipar calor permiten a los animales homeotermos mantener una temperatura corporal constante.
En ambiente frío Las respuestas más comunes al frío incluyen las gruesas capas aislantes de muchos animales polares, en forma de grasa subcutánea o de un grueso pelaje o plumaje. Los animales que viven en zonas templadas presentan variaciones estacionales mudando el pelaje viejo por otro nuevo, consiguiendo así gran aislamiento durante el invierno sin estrés calórico en verano. Termogénesis Cuando la temperatura ambiental baja por debajo de la TCI el animal endotermico responde generando calor adicional a partir de sus reservas de energía, previniendo asi la disminución de la temperatura corporal. Las formas de producir calor extra son a través del ejercicio, el tiriteo y la termogenesis sin tiriteo. En todos los casos se convierte la energía química en calor, pero durante el ejercicio también se produce energía mecánica El acto de tiritar es una forma de utilizar la contracción muscular para liberar calor. El sistema nervioso activa unidades motoras de grupos de músculos esqueleticos antagonicos produciendo muy poco movimiento efectivo, aparte del tiriteo. Como las contracciones musculares se oponen mutuamente no producen trabajo físico útil, excepto la energía química liberada como calor. Esto lo practican los insectos y los vertebrados. En ambiente cálido En los climas cálidos y secos los grandes animales tienen la ventaja de contar con una baja relación superficie/volumen. Los camellos, bien conocidos por su capacidad para tolerar el calor, tienen además de su gran masa, un grueso pelaje que les ayuda a aislarlos del calor externo. Además debido a su gran masa y al elevado calor específico del agua tisular, el camello y otros grandes animales, pueden absorber grandes cantidades de calor para un determinado aumento de su temperatura corporal. En estado deshidratado pueden tolerar una elevación de su temperatura interna de varios grados, aumentando así su capacidad de absorber calor. El calor acumulado durante el día se disipará en el frío de la noche, como preparación para el siguiente día, incluso disminuyendo su temperatura interna varios grados por debajo de lo normal. En consecuencia comienzan el día con un deficit termico que les permite absorber una cantidad adicional de calor. Un factor importante que influye en la pérdida de calor al ambiente es la temperatura de la superficie del cuerpo, puesto que determina el gradiente de temperatura (cuerpo ambiente). El calor se transfiere del interior a la superficie del cuerpo por la circulacion, por lo que esto se regula por el flujo de sangre a los vasos perifericos. Asi los endotermos utilizan ventanas para regular la pérdida de calor, abriéndolas o cerrándolas mediante la regulación del flujo sanguineo. Las ventanas permiten la pérdida de calor por radiación, conducción y, a veces, evaporación. Algunos ej. son las orejas de los conejos, finas, membranosas y poco peludas, con sus arteriolas y venulas muy anastomosadas. Otro caso es el de los cuernos de varios mamiferos, como cabras y vacas, que están muy vascularizados, sufren dilatación y actúan como radiadores de calor
Evaporación. Es el mecanismo más efectivo para perder calor en exceso, siempre que haya agua disponible suficiente. Ciertos reptiles, aves y mamiferos toman agua (saliva, orina, agua estancada) y la extienden por distintas partes del cuerpo permitiendo que se evapore a expensas del calor corporal. Otros vertebrados utilizan la sudoración o el jadeo para enfriarse por evaporación. En la sudoración, que realizan los mamíferos, las glandulas sudoríparas de la piel exudan agua a la superficie de esa piel. El control de la sudoración es autonomo. Los mamíferos y las aves también utilizan el sistema respiratorio para perder calor por enfriamiento evaporativo. Para aumentar la pérdida de calor los mamíferos respiran por la boca en lugar de hacerlo por la nariz. El calor se elimina al exhalar el aire caliente de los pulmones. Los conductos nasales y su vascularización son efectivos en muchos mamíferos para retener el agua y el calor corporal. Jadeo. La tasa de respiración aumenta pero únicamente en el espacio muerto (boca y traquea) para evitar el cambio de pH en la sangre que produciría la hiperventilación. En los perros por ej., como poseen muy pocas glandulas sudoriparas, la regulación se realiza principalmente a traves del jadeo. Se inhala el aire por la nariz y se exhala por la boca, sacando la lengua para facilitar una mayor evaporación. El trabajo respiratorio implicado en el jadeo es menor de lo que parece ya que el animal hace que su respiración oscile a una frecuencia que minimiza el esfuerzo muscular. El jadeo se acompaña de un aumento de secreción de las glandulas salivales. LETARGO: ESTADOS METABÓLICOS ESPECIALES sueño torpor: Los animales endotermos pequeños, debido a las elevadas TME, estan expuestos al ayuno en los periodos de inactividad, en los que no consumen alimentos. Algunos entran en un torpor diario en estos periodos, disminuyendo su tasa metabólica y su temperatura. Posteriormente y antes de que el animal empiece su actividad, eleva su temperatura como resultado de un repentino aumento de actividad metabólica, especialmente oxidando reservas de grasa parda. Esto ocurre en muchas aves y mamíferos terrestres pequeños, como el colibrí. Hibernación: Algunos mamiferos, principalmente de los ordenes Roedores, Insectivoros y Quirópteros, almacenan suficientes reservas energéticas para poder hibernar durante semanas e incluso meses, en las zonas de clima frío. Durante la hibernación se ajusta el termostato hipotalámico a un nuevo valor, tan bajo como 20 °C o menor. A temperaturas del ambiente entre 5 y 15 °C muchos animales hibernantes mantienen su temperatura tan solo 1 °C por encima de la ambiental. Con la disminución de la temperatura corporal característica de la hibernación las funciones corporales son muy lentas, el gasto cardíaco disminuye considerablemente, el flujo sanguineo baja cerca de un 10 %. Estivacion: Se refiere al sueño de verano o sueño estival, al aletargamiento en el que algunas especies entran en respuesta a la elevación de temperaturas ambientales o a
para un animal nadador grande, la resistencia de avance total aumenta , pero la resistencia por unidad de masa disminuye, para una velocidad dada y a medida que aumenta la masa corporal. Vuelo El aire ofrece muy poco soporte de flotación, por lo que los voladores deben vencer a la gravedad utilizando principios de sustentación aerodinámica. Las aves no precisan ser tan aerodinámicas como los peces, debido a la menor densidad del aire. A menores fuerzas de resistencia las aves pueden conseguir velocidades muchos mayores que los peces. Cuando un ave planea, sus alas largas y anchas producen una sustentación magnífica. Las fuerzas de resistencia al avance serán mayores en el agua que en el aire. Carrera La locomoción terrestre es más costosa, mientras que la natación es más económica. Un pez nadando gasta menos energía en la locomoción que un ave al volar, ya que un pez está más próximo a la flotación neutra , mientras que un ave debe gastar energía para mantenerse en el aire. La carrera difiere de las anteriores por la forma en que se emplean los músculos de las patas, y esta diferencia explica la baja eficiencia del trabajo de correr. El centro de masa de un animal bípedo o cuadrúpedo, cuando corre, sube y baja cíclicamente con cada paso. Los músculos se emplean tanto para la desaceleración como para la aceleración. Conclusión En conclusión, los mecanismos de metabolismo energético y termorregulación son fundamentales para la supervivencia y el funcionamiento óptimo de los organismos en su entorno. El metabolismo energético, al involucrar procesos de obtención, almacenamiento y utilización de energía, permite a los seres vivos adaptarse a las demandas energéticas de sus actividades diarias. Por otro lado, la termorregulación juega un papel crucial en la protección de los sistemas biológicos frente a fluctuaciones térmicas, asegurando la estabilidad interna necesaria para el correcto funcionamiento de las enzimas y otros procesos metabólicos. Ambos mecanismos están estrechamente interconectados, ya que el manejo eficiente de la energía influye directamente en la capacidad de un organismo para mantener su temperatura corporal dentro de los límites fisiológicos.
