CIRCULACIÓN E INTERCAMBIO DE GASES
NUTRICIÓN EN ANIMALES. TRANSPORTE La nutrición en animales: el transporte. • 1. Relación célula-entorno. • 2. Concepto de medio interno. • 3. Sistemas de transporte no especializados • 4. Sistemas de transporte en invertebrados. • 5. Sistemas de transporte en vertebrados. Aparato circulatorio sanguíneo. • 1. Circulación abierta y cerrada. • 2. Circulación doble y sencilla. • 3. Estudio del corazón. • 4. Movimientos del corazón . • 5. Vasos sanguíneos. Control y regulación cardiovascular Aparato circulatorio linfático. 1.Componentes de la linfa. 2. Funciones de la linfa.
LE 42-2
CIRCULACIÓN EN LOS INVERTEBRADOS Circular canal
Mouth boca
Radial canal
5 cm
El animal se observa aquí desde su superficie inferior, (superficie oral). La boca conduce a una cavidad gastrovascular compleja con ramificaciones. Que se irradian hacia y desde el canal circular. Las células ciliadas que revisten los canales hacen circular el líquido en las direcciones que indican las flechas.
CAVIDADES GASTROVASCULARES • Debido a la simplicidad de su plan corporal, las hidras y otros cnidarios no requieren un verdadero sistema circulatorio. • En estos animales una pared corporal con un grosor de sólo dos células encierra una cavidad gastrovascular central que actúa en la digestión y en la distribución de sustancias en el organismo. • El líquido del interior de la cavidad se continúa con el agua exterior mediante una sola abertura; por tanto, las capas tisulares interna y externa están bañadas por líquido. • Desde la cavidad gastrovascular de la hidra se extienden delgadas cavidades hacia los tentáculos del animal y algunos cnidarios, como las medusas, tienen cavidades gastrovasculares aun más complejas. • Dado que la digestión comienza en la cavidad, solo las células de la capa interna tienen acceso directo a los nutrientes aunque éstos solo tienen que recorrer una distancia corta para alcanzar las células de la capa externa.
PLATELMINTOS
CIRCULACIÓN EN PLATELMINTOS. • Las planarias y otros platelmintos también poseen cavidades gastrovasculares que intercambian materiales con el ambiente a través de una sola abertura. • La forma aplanada del cuerpo y la ramificación de la cavidad gastrovascular del animal aseguran que todas las células sean bañadas por un medio apto y que las distancias de difusión sean cortas.
SISTEMAS CIRCULATORIOS ABIERTOS Y CERRADOS En los animales con varias capas celulares, las cavidades gastrovasculares son insuficientes para el transporte interno porque las distancias de difusión son demasiado grandes para el intercambio adecuado de nutrientes y desechos. • Durante la evolución, en estos animales desarrollaron dos tipos de sistemas circulatorios que superaron las limitaciones de la difusión: abiertos y cerrados. • Ambos sistemas tienen tres componentes básicos. 1. un líquido circulatorio (sangre) 2. un conjunto de tubos (vasos sanguíneos) por los que se desplaza la sangre a lo largo del organismo. 3. una bomba muscular (el corazón) El corazón impulsa la circulación por medio de la energía metabólica para elevar la presión hidrostática de la sangre, que fluye a favor de un gradiente de presión a través de su circuito y luego vuelve nuevamente al corazón. Esta presión arterial es la fuerza motora del movimiento del líquido en el sistema circulatorio. •
LE 42-15
Plasma 55% Constituent
Major functions
Water
Solvent for carrying other substances
Ions (blood electrolytes) Sodium Potassium Calcium Magnesium Chloride Bicarbonate Plasma proteins Albumin
Osmotic balance, pH buffering, and regulation of membrane permeability
Cellular elements 45% Cell type
Number Functions per µL (mm3) of blood
Erythrocytes (red blood cells) Separated blood elements
5–6 million
Leukocytes 5,000–10,000 (white blood cells)
Osmotic balance, pH buffering
Fibrinogen
Clotting
Immunoglobulins (antibodies)
Defense
Substances transported by blood Nutrients (such as glucose, fatty acids, vitamins) Waste products of metabolism Respiratory gases (O2 and CO2) Hormones
Transport oxygen and help transport carbon dioxide
Defense and immunity
Lymphocyte
Basophil Eosinophil Neutrophil Platelets
Monocyte 250,000– 400,000
Blood clotting
LE 42-3
SISTEMAS DE TRANSPORTE ESPECIALIZADOS corazón
corazón
Hemolinfa en los senos que rodean a los órganos
Vaso anterior
Vasos laterales
Líquido intersticial
Ramificaciones vasculares Pequeñas en cada órgano
ostíolos Vaso dorsal Corazón principal
Corazón tubular Sistema circulatorio abierto.
Corazones auxiliares Sistema circulatorio cerrado.
Vasos ventrales
SISTEMA CIRCULATORIO ABIERTO • No hay diferencia entre la sangre y el líquido intersticial y este líquido corporal general se denomina hemolinfa. • Uno o más corazones bombean la hemolinfa hacia un sistema interconectado de senos que son espacios que rodean a los órganos. • Aquí el intercambio de sustancias químicas se produce entre la hemolinfa y las células del organismo. • En los insectos y otros artrópodos, el corazón es un tubo alargado de localización dorsal que, cuando se contrae, bombea hemolinfa a través de los vasos hacia los senos. • Cuando el corazón se relaja atrae a la hemolinfa hacia el sistema circulatorio a través de poros, ostiolos. • Los movimientos corporales que comprimen los senos facilitan la circulación de la hemolinfa. • En los insectos, otros artrópodos y mayoría de los moluscos
SISTEMA CIRCULATORIO CERRADO • La sangre está confinada en vasos y es diferente del líquido intersticial. Uno o más corazones bombean la sangre hacia vasos grandes que se ramifican en otros más pequeños a lo largo del trayecto a través de los órganos. • Aquí los materiales se intercambian mediante difusión entre la sangre y el líquido intersticial que baña las células. • Las lombrices, los calamares, los pulpos y todos los vertebrados poseen sistemas circulatorios cerrados.
• El hecho de que los sistemas circulatorios abiertos y cerrados estén tan extendidos sugiere que ambos ofrecen ventajas. • Las menores presiones hidrostáticas asociadas con los sistemas circulatorios abiertos los hacen más económicos que los sistemas cerrados
LE 42-6
Arteria pulmonar
Aorta
Anterior vena cava
Arteria pulmonar
Auricula derecha
Aurícula izquierda
Venas pulmonares
Venas pulmonares
Válvulas semilunares
Válvula semilunares
Válvula auriculoventricular
Vena cava posterior
Válvula auriculoventricular
Ventrículo derecho
Ventrículo izquierdo
LE 42-9
Artery
Vein
100 µm endotelio Membrana basal endotelio Músculo liso Tejido conectivo
válvula
endotelio
Capillar
Músculo liso Tejido conectivo vena
arteria
arteriola
vénula
LE 42-5 Capilares de la Cabeza y de las extremidades superiores Arteria pulmonar
Anterior vena cava Arteria pulmonar Capilares Del pulmón derecho
Vena pulmonar Auricula derecha Ventrículo derecho Posterior vena cava
Aorta
Capilares del pulmón izquierdo
Vena pulmonar Aurícula izquierda Ventrículo izquierdo Aorta
Capillaries of abdominal organs and hind limbs
LE 42-4
AMPHIBIANS
FISHES
REPTILES (EXCEPT BIRDS)
Capilares branquialess
Capilares pulmonares y cutáneos
ArteriaCirculación branquial
Circuito pulmocutáneo
Corazón ventriculo (V) aurícula (A) Circulación sistémica Vena
Capilares sistémico
A
A
V izquierdat derechat Circuito sistémico
Capilares sistémicos
Capilares pulmonares
MAMMALS AND BIRDS
Capilares pulmonares
Pulmonar Aorta circuito Sistémica derecha
A V Right
Aorta A Sistémica izquierda V Left
Capilares sistémicos
Los circuitos sistémicos abarcan todos los tejidos del organismo.
Circuito pulmonar
A
A
V V Right Left Circuito sistémico
Capilares sistémicos
LE 42-7 Atrial systole; ventricular diastole
Semilunar valves closed
0.1 sec AV valves open
0.3 sec
Semilunar valves open
0.4 sec
Atrial and ventricular diastole
AV valves closed Ventricular systole; atrial diastole
LE 42-8
Pacemaker generates wave of signals to contract.
SA node (pacemaker)
Signals are delayed at AV node.
Signals pass to heart apex.
AV node Bundle branches
ECG
Signals spread throughout ventricles.
Heart apex
Purkinje fibers
LE 42-8A
Pacemaker generates wave of signals to contract.
SA node (pacemaker)
ECG
Signals are delayed at AV node.
AV node
LE 42-8B
Signals pass to heart apex.
Bundle branches
Heart apex
Signals spread throughout ventricles.
Purkinje fibers
LE 42-10
Direction of blood flow in vein (toward heart)
Valve (open)
Skeletal muscle
Valve (closed)
FUNCION DE LOS CAPILARES • El intercambio de sustancias entre la sangre y líquido intersticial que baña las células se produce a través de las delgadas paredes del endotelio de los capilares. • Algunas sustancias pueden ser transportadas a través de la célula endotelial en vesículas que se forman por endocitosis en un extremo dé la célula y que, posteriormente, liberan su contenido por exocitosis en el extremo opuesto. • Otras se difunden simplemente, entre la sangre y el líquido intersticial. • Las moléculas pequeñas, como el oxígeno y el dióxido de carbono se difunde por gradientes de concentración a través de las células endoteliales. • La difusión también puede producirse a través de hendiduras entre células adyacentes. • Sin embargo, el transporte por estas hendiduras se produce por el flujo masivo debido a la presión del líquido.
• La presión arterial en el interior de los capilares empuja el liquido (constituido por agua y solutos pequeños, azúcares, sales, urea y oxígeno) por las hendiduras capilares. • El movimiento externo de este liquido determina una perdida neta de líquido desde el extremo situado por encima del capilar, cerca de la arteriola. • Las células sanguíneas suspendidas en la sangre y la mayor parte de las proteínas disueltas en ella son demasiado grandes para atravesar fácilmente el endotelio y permanecen en los capilares. • Las proteínas sanguíneas que quedan en los capilares, especialmente la albúmina, crean una presión osmótica aproximadamente constante desde el extremo arteriolar al extremo venular en el lecho capilar. • En contraste, la presión arterial disminuye notablemente. • Esta diferencia entre la presión arterial y la presión osmótica arrastra el líquido fuera de los capilares en el extremo arteriolar y al interior de los capilares en el extremo venular.
estรก
asas.
LE 42-13A
Esfínteres precapilares Canal de tránsito
Arteriola Esfínteres relajados
Capilares
Venúla
LE 42-13B
Arteriola EsfĂnteres contraidos
Venula
FUNCIÓN DE LOS CAPILARES • Dos mecanismos regulan la distribución de la sangre en los lechos capilares. • Ambos dependen de los músculos lisos controlados por las señales nerviosas y las hormonas. • En un mecanismo, la contracción de la capa de músculo liso en la pared de la arteriola constriñe el vaso, reduciendo su diámetro y disminuyendo el flujo sanguíneo hacia el lecho capilar. • Con la relajación de la capa muscular, la arteriola se dilata, fenómeno que permite la entrada de la sangre en los capilares. • En el otro mecanismo, los anillos de músculo liso, denominado esfínteres precapilares porque controlan el flujo de sangre entre las arteriolas y las vénulas.
LE 42-13C
Capillaries and larger vessels (SEM)
20 Âľm
LE 42-14
Tissue cell
Líquido intersticial
Movimiento neto Movimiento neto De líquido hacia De líquido hacia adentro afuera
Capillaiy Glóbulo Rojo l
15 µm
Dirección del flujo sanguíneo
Presión
Capillary
Presión arterial Presión osmótica Flujo hacia adentro
Outward flow
Extremo arterial del capilar
Extremo venular
• Cerca del 85% del líquido que abandona la sangre en el extremo arterial del lecho capilar vuelve a ingresar desde el líquido intersticial en el extremo venoso y el 15% restante, finalmente, vuelve a la sangre a través de los vasos del sistema línfático.
RETORNO DE LÍQUIDO POR EL SISTEMA LINFÁTICO • • • • • • • • • • • • •
Tanta sangre se desplaza por los capilares que la pérdida acumulada de liquido asciende, aproximadamente a cuatro litros diarios. También se produce cierta extravasación de proteínas sanguíneas, aunque la pared capilar no es muy permeable a moléculas de gran tamaño. El líquido y las proteínas que se pierden vuelven a la sangre mediante el sistema linfático. El líquido penetra en este sistema por difusión hacia los capilares linfáticos diminutos entremezclados entre los capilares del sistema cardiovascular. Una vez en el interior del sistema linfático, el líquido se denomina linfa; su composición es similar a la del líquido intersticial. El sistema linfático drena en el sistema circulatorio cerca de la unión de las venas cavas con la aurícula derecha. Los vasos linfáticos, al igual que las venas, poseen válvulas que evitan el flujo retrógrado del líquido hacia los capilares. Las contracciones rítmicas de las paredes vasculares ayudan a desplazar el líquido hacia los capilares linfáticos. También como las venas, los vasos linfáticos dependen, principalmente, del movimiento de los músculos esqueléticos para desplazar el líquido hacia el corazón. Junto con los vasos linfáticos existen órganos denominados ganglios linfáticos. Al filtrar la linfa y atacar a los virus y a las bacterias, los ganglio linfáticos desempeñan un papel importante en a defensa del organismo. Dentro de cada ganglio linfático hay una red de tejido conectivo con espacios ocupados por linfocitos especializados en la defensa. Cuando el organismo lucha contra una infección, estas células se multiplican rápidamente y los ganglios linfáticos presentan tumefacción y dolor al tacto.
LE 42-17
Endothelium of vessel is damaged, exposing connective tissue; platelets adhere
Platelets form a plug
Collagen fibers Platelet plug
Seal is reinforced by a clot of fibrin
Fibrin clot
Platelet releases chemicals that make nearby platelets sticky Clotting factors from: Platelets Damaged cells Plasma (factors include calcium, vitamin K) Prothrombin
Thrombin
Fibrinogen
Fibrin
5 Âľm
Red blood cell
LE 42-18
Connective tissue
Smooth muscle
Normal artery
Endothelium
50 µm
Plaque
Partly clogged artery
250 µm
NUTRICIÓN ANIMAL. INCORPORACIÓN DE NUTRIENTES La nutrición en animales: la respiración. 1. Intercambio de gases. 2. Características de las estructuras respiratorias. 3. Estructuras especializadas para la respiración en el medio acuático. • 4. Estructuras especializadas para la respiración en el medio terrestre. • • • •
NUTRICIÓN ANIMAL
LE 42-19
Medio respiratorio Aire o agua
O2
CO2
Superficie respiratoria
A nivel del organismo Sistema circulatorio
A nivel celular Moléculas ricas En energía del alimento
Respiración celular
El papel del intercambio gaseoso en la bioenergética
ATP
INTERCAMBIO DE GASES • La superficie respiratoria debe suministrar O2 a todo el organismo • La superficie respiratoria debe eliminar el CO2 de todo el organismo • A lo largo de la evolución se han desarrollado distintos mecanismos para solucionar el problema de aportar oxígeno:una superficie con suficiente extensión
• La estructura de la superficie respiratoria depende: 1. Tamaño del organismo 2. Del medio en el que vive (agua o tierra) 3. Requerimientos metabólicos de intercambio gaseoso. • Un animal endotermo, por lo general presenta una superficie respiratoria más extensa que un ectotermo de tamaño similar
INCORPORACIÓN DE GASES • El intercambio gaseoso se produce en toda la superficie de la mayoría de los protistas y otros organismos unicelulares. • En algunos animales relativamente simples, como las esponjas, cnidarios y platelmintos, la membrana plasmática de cada célula esta bastante próxima al ambiente externo como para permitir la difusión de gases hacia adentro y hacia fuera.
SUPERFICIES RESPIRATORIAS NO ESPECIALIZADAS
RESPIRACIÓN CUTÁNEA • La superficie respiratoria de la mayor parte de los organismos que no tienen acceso directo al medio respiratorio, es un epitelio húmedo y delgado que separa el medio respiratorio de la sangre o los capilares que transportan gases hacia y desde el resto del organismo.
RESPIRACIÓN CUTÁNEA
RESPIRACIÓN CUTÁNEA • Algunos animales utilizan toda su piel como órganos respiratorio. Es el caso de la lombriz, tiene la piel húmeda e intercambian gases mediante difusión a través de su superficie corporal inmediatamente debajo de la piel de la lombriz hay una densa red de capilares. • Dado que la superficie respiratoria tienen que permanecer húmeda, las lombrices y otros animales que respiran a través de la piel, como algunos anfibios, deben vivir en el agua o en lugares húmedos. • Los animales en los que la piel húmeda es el único órgano respiratorio, generalmente, son pequeños además de largos y delgados o planos, con una elevada relación de superficie a volumen. • En la mayoría de los animales, la superficie corporal general carece de un área suficientemente extensa para el intercambio de gases de todo el organismo. La solución es un órgano respiratorio que está ampliamente plegado o ramificado y que permite agrandar la superficie disponible para el intercambio gaseoso. • Las branquias, las tráqueas y los pulmones son lo órganos respiratorios más comunes.
LE 42-20A
branquias Celoma
Pies ambulacrales Estrella de mar
BRANQUIAS • Como medio respiratorio, el agua tiene ventajas y desventajas, no hay problema para mantener húmedas las membranas plasmática de las células de la superficie respiratoria porque las branquias están rodeadas por un medio acuoso. • Sin embargo, las concentraciones de oxígeno del agua son bajas y cuanto más cálida y ( el agua de muchos hábitats marinos y de agua dulce contienen sólo 4 a 8 ml de O2 disuelto por litro )salada sea el agua, menor será la cantidad de oxígeno disuelto. • Por tanto las branquias deben ser muy eficaces para que el animal obtenga suficiente oxígeno. • Un proceso que ayuda es la ventilación o el aumento de flujo del medio respiratorio sobre la superficie respiratorio. • Sin ventilación se puede formar una región con baja concentración de oxígeno y alta concentración de CO2 alrededor de las branquias durante le intercambio gaseoso con el agua. • El cangrejo y las langostas tienen apéndices similares a remos con los que dirigen una corriente de agua sobre las branquias. • Como el agua es densa y contiene poco oxígeno por unidad de volumen, la mayoría de los peces deben gastar bastante energía para la ventilación de sus branquias. • En los peces se potencia el intercambio gaseoso mediante un proceso muy eficiente denominado intercambio contracorriente. • A medida que se desplaza por el capilar branquial la sangre capta cada vez más oxigeno, pero, simultánemante encuentra agua con concentraciones de oxígeno aún mayores debido a que el agua ésta comenzando a paaar por las branquias • Esto significa que a lo largo de toda la extensión del capilar hay un gradiente de difusión que favorece el paso de oxígeno desde el agua a la sangre. • El mecanismo de intercambio contracorriente s es tan eficaz que las branquias pueden extraer más del 80% del oxígeno disuelto en el agua que se desplaza sobre la superficie respiratoria.
• Las branquias de la estrella de mar, son proyecciones tubulares simples de la piel. • El centro hueco de cada branquia es una extensión del celoma (cavidad corporal). El intercambio gaseoso se produce mediante difusión a través de las superficies branquiales y el líquido en el celoma circula hacia el interior y el exterior de las branquias. Las superficies de las patas tubulares de la estrella de mar también actúan en el intercambio gaseoso.
• Muchos poliquetos (gusanos marinos del filo Annelida, poseen un par de apéndices aplanados denominados parápodos o parapodios en cada segmento corporal. Los parapodios sirven como branquias y también actúan en el arrastre y la natación.
LE 42-20B
Parapodios branquias AnĂŠlido poliqueto
LE 42-20C
BRANQUIAS
Vieira
LE 42-20D
branquias
langosta
• Las branquias de la vieira son placas aplanadas y largas que se proyectan desde la masa corporal principal dentro del caparazón duro. Los cilios de las branquias hacen circular agua alrededor de las superficies branquiales.
• La langosta de agua dulce y otros crustáceos presentan branquias plumosas y largas cubiertas por el exoesqueleto. Los apéndices corporales especializados deslizan el agua sobre las superficies branquiales.
LE 42-21
Sangre con baja concentración de oxígeno Laminilla
Sangre con elevadas Concentraciones de O2
Arco branquial
Vaso Arco branquial sanguineo 70 %
Operculo
100 %
15%
5% 30% % 60
90 %
Flujo de agua
40%
Filamentos branquiales
Flujo de agua O Sobre las láminas 2 Que muestra Flujo sanguineo el% O2 por los capilares En las láminas Que muestra el % O2 Intercambio contracorriente
• La estructura y la función de las branquias en el pez. • El pez bombea agua continuamente por su boca y sus arcos branquiales, mediante movimientos coordinados de las mandíbulas y el opérculo para su ventilación (un pez que está nadando simplemente puede abrir la boca y dejar que el agua fluya por sus branquias. • Cada arco branquial la posee dos hileras de filamentos branquiales compuestas por placas aplanadas denominadas láminas. • La sangre que fluye por los capilares dentro de las láminas capta el oxígeno del agua y la sangre mantiene un gradiente de concentración por el que se difunde le oxígeno desde el agua hacia la sangre en toda la extensión del capilar.
LE 42-22A
Sacos aéreos
tráqueas
espiráculo
SISTEMA TRAQUEAL • El sistema respiratorio de un insecto se compone de tubos internos ramificados que suministran aire directamente a las células del organismos.. • Los tubos de mayor tamaño, denominados tráqueas, están reforzadas por anillos de quitina que evitan el colapso. • Las áreas más grandes las tráqueas forman sacos aéreos cerca de los órganos que requieren un gran suministro de oxígeno. • El aire entra en las tráqueas mediante aberturas denominadas espiráculos, en la superficie del cuerpo del insecto y se desplaza hacia tubos de menor tamaño denominados traquéolas. • Estas últimas están cerradas y contienen líquido. Cuando el animal está activo y utiliza más oxígeno la mayor parte del líquido se retrae hacia dentro del organismo, esto aumenta la superficie celular en contacto con el aire. • Esta microfotografía muestra cortes transversales de traqueolas en una pieza diminuta de músculo de insecto empleado para volar. Cada una de las numerosas mitocondrias de las células musculares se encuentra, aproximadamente, a 5 micras de una traquéola.
LE 42-22B
célula Saco aéreo
Traquéola
Traquea Aire
Pared corporal
Tracheoles Mitochondria Myofibrils
2.5 µm
LE 42-23
Rama de la vena Pulomnar Sangre rica en oxígeno
Rama de la arteria pulmonar Sangre con baja concentración En oxígeno
Bronquiolo
Cavidad nasal faringe laringe
Pulmón izquierdo
esófago tráquea
50 µm
Alveólo
50 µm
Pulmón derecho bronquio
bronquiolo
diafragma corazón
SEM
Colorized SEM
LE 42-24
LA CAJA TORÁCICA SE EXPANDE CON LA CONTRACCIÓN DE LOS MÚSCULOS COSTALES
Air inhaled
LA CAJA TORÁCICA DISMINUYE DE TAMAÑO CON LA RELAJACIÓN DE LOS MÚSCULOS COSTALES
Air exhaled
PULMÓN
Diaphragm
INHALACION DIAFRAGMA SE CONTRAE
EXHALACION DIAFRAGMA SE RELAJA
LE 42-25
Air
SACOS AÉREOS ANTERIORES
Air
TRÁQUEA SACOS AÉREOS POSTERIORES
PULMONES
PULMONES
Tubos aéreos Parabronquios En el pulmon INHALACIÓN Se llenan Los sacos´aéreos
EXHALACIÓN Los sacos áéreos se vacian Los pulmones se llenan
1 mm
LE 42-26 Cerebrospinal fluid
Pons Breathing control centers
Medulla oblongata
Carotid arteries Aorta
Diaphragm Rib muscles
LE 42-27 Exhaled air
Inhaled air 160 0.2
O2 CO2 Alveolar epithelial cells Blood entering alveolar capillaries 40
O2 CO2
CO2 CO
O2 2
O
2
Alveolar capillaries of lung
O2 CO2
O2 CO2
Pulmonary veins
Systemic veins
Systemic arteries
Heart CO
Tissue capillaries
2
O2
Blood entering tissue capillaries
Blood leaving tissue capillaries 45
Blood leaving alveolar capillaries 104 40
Pulmonary arteries
40
O2 CO2
104 40
45
O2 CO2
120 27
Alveolar spaces
CO2
O2
Tissue cells < 40 > 45
O2 CO2
100 40
O2 CO2