Cantidades químicas - Cursos en Abierto de la UNED

Fisiología Animal II
Biología
Homeostasis
Unas condiciones fisicoquímicas óptimas para el medio interno son una gran ventaja
Todos los seres vivos, desde una célula hasta el más complejo ser pluricelular, se desenvuelven en un medio con el que
están en continua relación. Ni el ambiente externo, ni el sistema biológico son medios estáticos. Por el contrario ambos
están en continuo proceso de transformación. Los mismos procesos biológicos implican cambios que afectan tanto al
interior como al exterior celular. Cualquier organismo mantiene sus condiciones internas más o menos constantes gracias
a ajustes de su metabolismo. En paralelo al aumento de la organización y complejidad de los seres vivos, los procesos que
en estos tienen lugar se ajustan a unas condiciones óptimas que deben ser mantenidas. Es decir, en la evolución de los
seres vivos, en función del medio en el que estos habitan, el desarrollo fisiológico ha implicado el desarrollo de sistemas
que garantizan unas condiciones internas estables, tales que las reacciones químicas que en ellos tienen lugar funcionen
correctamente y no supeditadas al ambiente. Al mantenimiento de estas condiciones internas dentro de los rangos
adecuados es a lo que denominamos homeostasis.
En cualquier sistema, las condiciones físicas y químicas en las que se desarrolla
una reacción química deben ser las más óptimas para obtener el máximo
rendimiento. Los seres vivos no son una excepción: ellos mismos tratan de
mantenerlas: la homeostasis
Objetivo principal de los seres vivos: cooperar y organizarse para poder realizar funciones más
complejas y eficaces que garanticen su perpetuación
Cualquier ser vivo, desde el más simple unicelular hasta los organismos pluricelulares, presentan unas
características comunes, inherentes a lo que consideramos sistema vivo, y como bien sabemos, muy
diferentes de las propiedades que, por separado, tiene cada una de las sustancias que lo componen. Así
pues, en el sistema vivo más elemental encontramos un conjunto de sustancias químicas en interacción y
sometidas a reacciones químicas, y tanto ellas como las transformaciones que sufren, perfectamente
coordinadas para poder mantenerse estructuralmente y reproducirse, dando lugar a sistemas similares. De
esta forma, sabemos que en cualquier sistema vivo:
-
Es necesario que se produzcan nuevos sistemas, copias más o menos parecidas al ser vivo original,
que garanticen el mantenimiento en el tiempo de esa forma de organización, esa forma de vida. En
definitiva: que se reproduzca.
-
Existe además una serie de procesos para la incorporación de materia desde el exterior, que
denominamos en conjunto nutrición. Todas las reacciones químicas en las que esta materia
incorporada (los nutrientes) se vea involucrada es lo que denominamos metabolismo. Mediante estas
reacciones metabólicas el ser vivo transformará las sustancias ingeridas o bien en sustancias que
necesite para construir sus propias estructuras o bien en la energía necesaria para todas las
reacciones químicas vitales que ese sistema debe llevar a cabo.
-
Cualquier ser vivo, por tanto, es un sistema abierto, en continua relación con el medio que le rodea,
de él obtiene los nutrientes, a él vierte todas las sustancias que no le son útiles, las sustancias de
desecho…
Los organismos pluricelulares han desarrollado mecanismos que les permiten un mejor control y
mantenimiento del medio interno: una mayor capacidad homeostática
Los sistemas vivos han ido desarrollando mecanismos que les han permitido vivir en situaciones cada vez
más complejas. De esta forma, las células se agruparon, cooperando, con el objetivo de obtener ventajas
para garantizar su existencia, hasta el punto de asociarse, dejando de ser independientes unas de otras y
especializándose en funciones concretas (constituyendo lo que conocemos como tejidos, órganos y
aparatos). En estos organismos pluricelulares los procesos básicos son los mismos mencionados arriba,
pero estas funciones se desarrollan de una forman mucho más eficaz y compleja gracias a esta organización
y especialización de las células.
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Autora: Mercedes de la Fuente
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
Fisiología Animal II
Biología
Homeostasis
Unas condiciones fisicoquímicas óptimas para el medio interno son una gran ventaja
En este camino hacia el desarrollo uno de los problemas más importantes a
los que ha tenido que hacer frente la organización en los seres vivos es a
conseguir mantener el medio interno en condiciones más o menos estable, y
sobre todo óptimas, para que toda la maquinaria biológica funcione de la forma
más adecuada posible, independientemente del ambiente en el que se encuentre
o de las variaciones que en el medio interno o externo puedan suceder. La
posibilidad de mantener un ambiente interno estable (dentro de unos límites) y
diferente del medio externo ha facilitado el desarrollo de seres vivos más
sofisticados en los que las condiciones de funcionamiento de cada célula, y del
conjunto del organismo, sean óptimas y no supeditadas al ambiente exterior.
Homeostasis
Mantenimiento de las
condiciones fisicoquímicas en
el medio interno de los
sistemas biológicos, de
forman que aunque las
condiciones externas varíen,
los efectos de estos cambios
sobre el organismo sean
mínimos.
Al mantenimiento de estas condiciones constantes en el medio interno del ser vivo es a lo que
denominamos homeostasis. Si tenemos en cuenta que lo que sucede en cada una de las células de
cualquier organismo son un elevadísimo número de transformaciones químicas, perfectamente coordinadas,
permitir que éstas puedan realizarse en las condiciones más óptimas posibles será una gran ventaja para el
organismo que las alberga.
¿Cómo se mantiene un medio interno relativamente constante?
Para mantener la homeostasis, la actividad de todos los órganos (digestivo,
respiratorio, circulatorio, excretor) debe funcionar de forma regulada y
controlada, y en continua respuesta a las variaciones de los medios externos e
internos. Con este fin, los animales disponen de dos sistemas de control y
coordinación del organismo, que están relacionadas tanto funcional como
anatómicamente: el sistema nervioso y el sistema endocrino. Las funciones
que, en relación con la homeostasis, deben desempeñar ambos sistemas son, en
primer lugar, percibir los cambios, tanto del ambiente interno como externo, a
continuación, deben procesar esta información que se recibe, y por último, dar las
órdenes oportunas a los diferentes órganos y sistemas del organismo para que
actúen de la forma apropiada.
Además de los sistemas de control y regulación, el organismo necesita de
información de retroalimentación que le informe sobre la situación en cada
momento, para que pueda analizar como de alejado está de la situación inicial, a
la que debe volver.
Todos los órganos
contribuyen a la
homeostasis:
todos deben funcionar de
forma regulada y controlada.
Los animales disponen de
dos sistemas de control y
coordinación del
organismo: el sistema
nervioso y sistema endocrino.
Mecanismos de
retroalimentación:
información sobre la situación
durante el proceso de ajuste,
una vez que se inicia una
respuesta homeostática
Cuadro resumen y ejemplo de un mecanismo para el mantenimiento de la homeostasis
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General:
Un ejemplo:
Día caluroso Æ aumento de temperatura corporal
1. Percibir los cambios:
2. Procesar la información:
El sistema nervioso detecta el aumento de la temperatura
corporal
El circuito neuronal procesa esta información
3. Transmisión de órdenes a órganos y sistemas:
Se activan las glándulas sudoríparas de la piel
4. Respuesta:
Se estimula la producción de sudor: al evaporarse el sudor, se
elimina calor del organismo
Autora: Mercedes de la Fuente
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Homeostasis
Unas condiciones fisicoquímicas óptimas para el medio interno son una gran ventaja
¿Qué condiciones físicas y químicas son importantes para los seres vivos?
La estabilidad de las estructuras (biomoléculas y agregados) que constituyen los seres vivos, así como
de las reacciones químicas que en ellos tienen lugar necesita de unos intervalos controlados de pH,
temperatura, concentración de sustratos y productos,… para que todo funcione correctamente. Como
ejemplos concretos podríamos citar la regulación de las cantidades de O2/CO2 en los organismos, regulación
de los niveles de glucosa en sangre, mantenimiento del pH (pH~1 en fluidos gastricos; pH~5 en lisosomas;
pH~7 en citoplasma celular) gracias a la presencia sales disueltas en el agua. Otro elemento crucial en la
homeostasis de los organismos es el equilibrio de agua (equilibrio hídrico). Si el volumen de agua dentro de
la célula varía mucho, las sustancias se concentran o diluyen, alterándose el equilibrio químico de la célula,
incluso se puede llegar a tener riesgo de lisis en el caso de que el volumen de agua en el interior celular
aumente de forma excesiva.
Control de temperatura: homeotermos
Algunos animales son capaces de mantener constante, dentro de unos
intervalos, su temperatura corporal. Esta característica es prácticamente exclusiva
de aves y mamíferos.
Estos animales, que denominamos homeotermos, han desarrollado,.
Fundamentalmente, tres tipos de mecanismos o estructuras en este sentido: el
desarrollo de pelo y plumas, el control nervioso de circulación sanguínea periférica
y la sudoración.
Control de pH
En general, todas las células necesitan un pH con variaciones mínimas y
próximo a la neutralidad. El propio metabolismo celular ya implica variaciones de
pH.
Control de temperatura,
homeotermos:
-desarrollo de pelo y
plumas
-control nervioso de
circulación sanguínea
periférica
-sudoración
Control de pH
Mediante sistemas
amortiguadores o tampón:
- Medio extracelular:
H2CO3/NaHCO3
- Medio intracelular:
42H2PO /HPO4
En el control de pH celular intervienen sales disueltas en el medio: los sistemas biológicos disponen de
sistemas amortiguadores o tampones encargados de regular estos cambios. Como cualquier disolución
tampón, los amortiguadores biológicos constan de un ácido o una base débil y una sal conjugada de ese
ácido o de esa base. En los medios biológicos destacan dos tampones salinos:
-
En el medio extracelular (sangre): ácido carbónico (H2CO3)/bicarbonato de sodio(NaHCO3), y
En el medio intracelular: tampón bifosfato (H2PO4-)/fosfato(HPO42-).
El equilibrio hídrico/salino en los seres vivos y osmosis
Si analizamos cualquier sistema biológico, desde una célula hasta el hombre,
el medio interno en el que se desarrollan todos los procesos químicos vitales es un
medio acuoso. Este medio interno es, pues, una disolución acuosa de iones y
otros solutos (biomoléculas), junto con grandes agregados moleculares y
estructuras celulares en suspensión. El medio intracelular está separado del medio
externo por una membrana biológica, que se comporta como si fuera una
membrana semipermeable. En cualquier sistema en el que encontremos esta
situación (una membrana semipermeable y dos disoluciones con diferente
concentración de solutos a cada lado) se va a producir un proceso que
denominamos ósmosis: la membrana semipermeable permite el paso de las
moléculas pequeñas de disolvente, que difundirán libremente, pero no permitirá el
paso de los solutos. El paso de moléculas de agua se hará siempre desde dónde
la proporción de moléculas de agua frente a las de partículas disueltas sea mayor
hacia donde sea menor. El proceso de paso de agua continuará hasta que se
alcance un equilibrio que denominamos equilibrio osmótico (no hay balance neto
ni de entrada ni de salida de moléculas de disolvente a ninguno de los dos lados).
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Ósmosis:
Cuando dos disoluciones
de distinta concentración
están separadas por una
membrana semipermeable,
parte del disolvente de la
disolución con menos
partículas de soluto (mayor
proporción
disolvente/soluto) pasará
hacia la más concentrada.
Esto sucederá hasta que
las presiones osmóticas a
ambos lados de la
membrana se igualen (en
ese momento el número de
partículas de soluto a
ambos lados de la
membrana será la misma)
Autora: Mercedes de la Fuente
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Homeostasis
Unas condiciones fisicoquímicas óptimas para el medio interno son una gran ventaja
En los procesos de ósmosis lo importante no es el tipo de partículas de
soluto, sino el número de partículas que tengamos (esto está implícito en el
hecho de que la presión osmótica es una propiedad coligativa de las
disoluciones). Es decir, lo importante es la diferencia entre el número de
partículas disueltas a cada lado de la membrana, independientemente de que
estás sean iones Na+, moléculas de glucosa, iones Cl-, moléculas de
albúmina…Así pues, mediante la ósmosis lo que se trata de mantener
constante es la relación entre el número de partículas en la disolución en
relación con el número de moléculas de disolvente.
Denominamos presión osmótica a la presión externa necesaria para
detener este flujo de agua a través de la membrana semipermeable. Esta
presión osmótica será por tanto una medida del número de partículas de
soluto que encontremos a cada lado de la membrana.
Por tanto, considerando a la membrana plasmática como si fuera una
membrana semipermeable, cualquier célula debe estar en equilibrio osmótico
con el líquido extracelular que le rodea. En caso de desequilibrio, hay un
enorme potencial para el desplazamiento de agua, lo que afectaría
notablemente a la homeostasis del organismo.
Cuando el medio exterior presenta una concentración de solutos tal que
permite mantener el equilibrio osmótico con la célula decimos que se trata de
un medio isotónico. Si el medio extracelular es hipotónico (baja
concentración de solutos, o mayor proporción de moléculas de disolvente
frente a las de solutos) en relación con el medio intracelular, para restablecer
el equilibrio osmótico el agua tenderá a entrar. Por el contrario, en un medio
extracelular hipertónico (alta concentración de solutos), en relación con el
medio intracelular, el agua tenderá a salir desde el medio interno.
Membrana semipermeable:
aquella que deja pasar a las
moléculas de disolvente pero no
de soluto
Presión osmótica:
Fuerza que ejerce una disolución
a cada lado de una membrana
semipermeable.
Medio isotónico:
Dos medios son isotónicos
cuando tienen igual proporción de
número de partículas de soluto
frente a moléculas de disolvente.
Situados a ambos lados de una
membrana semipermeable, habrá
igual presión del agua para entrar
que para salir.
Medio hipotónico:
Mayor proporción de moléculas
de disolvente frente a las
partículas de soluto (con respecto
a otra disolución que será
hipertónica). El agua irá desde la
disolución hipotónica a la
hipertónica.
Medio hipertónico:
Mayor número de partículas de
soluto en relación a las de
disolvente, comparada con otra
disolución, que será hipotónica. El
agua tiende a entrar para igualar
concentración.
En los seres vivos, una de las formas fundamentales de regular este equilibrio osmótico es controlando
la cantidad de las sales minerales disueltas en el medio celular. En los animales adquiere una importancia
esencial en este sentido la circulación de fluidos corporales, ya que ésta es la forma de poder garantizar a
cada una de las células un medio externo “depurado y renovado”. En estos organismos será el aparato
excretor el que va a contribuir en gran medida a la homeostasis manteniendo la composición química de los
fluidos y la cantidad de agua, si bien, como ya mencionábamos al principio, son todos los sistemas en
conjunto los que influyen y permiten controlar todas las variables que afectan al equilibrio hídrico.
Hechos destacables y otras curiosidades...
Las bebidas isotónicas
Cuando en el organismo se da una pérdida excesiva de líquidos (deshidratación), como por ejemplo por
efecto de la sudoración, durante el ejercicio, el agua que se pierde viene del líquido extracelular. Esto
conlleva una salida de agua desde el interior celular (ya que el líquido extracelular se ha hecho hiperosmótico
en relación con la célula). En esos momentos necesitamos reponer líquidos con una bebida isotónica. Esta
“disolución acuosa de sales” que hemos tomado será absorbida desde el tracto gastrointestinal, pasando
desde allí a los fluidos corporales (plasma y líquido intersticial). Los solutos no entrarán en las células y el
agua servirá para reponer las pérdidas.
¿Porqué la sudoración baja la temperatura corporal?
Las gotitas de agua que se depositan sobre la piel por efecto de la sudoración, pasan de estado líquido a
vapor de agua (evaporación). En este proceso se tiene que romper la estructura de enlaces de hidrógeno
que existe en fase líquida. Para esta ruptura de los enlaces de hidrógeno se necesita energía. Esta inversión
de energía para la evaporación del agua implica un enfriamiento de los alrededores, en este caso del
organismo.
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Autora: Mercedes de la Fuente
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Unas condiciones fisicoquímicas óptimas para el medio interno son una gran ventaja
Un ejercicio…
Si ante una situación de deshidratación ingerimos una bebida hipotónica, en vez de isotónica:
¿Qué sucederá? ¿Y si la bebida es hipertónica?
Si la bebida es hipotónica, ésta pasará al líquido extracelular, con lo que éste estará más diluido. Tendrá
en proporción más moléculas de disolvente frente a partículas de soluto de las que hay en el interior
celular. Por tanto, para igualarse las presiones osmóticas tenderá a pasar agua al interior celular. Como
consecuencia se produce una pérdida de líquido extracelular (deshidratación hipotónica) e incluso se
corre el riesgo de lisis celular por aumento del volumen.
Si la bebida es hipertónica, la célula responderá dejando salir agua para restablecer el equilibrio
osmótico, lo que afectará a su volumen y estructura. Estamos ante una deshidratación hipertónica.
Es relativamente frecuente encontrarse con situaciones peligrosas en el restablecimiento del equilibrio
hídrico de algunos deportistas.
Otro ejercicio + solución
¿Qué pasaría si regásemos una planta con agua de mar?
Solución: Disolución hipertónica respecto al organismo, por tanto, saldrá agua de sus células.
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Autora: Mercedes de la Fuente
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