Aclimatación y Adaptación:

Aclimatación y Adaptación:
Algunos conceptos
• Adaptación: Cualquier característica del
desarrollo, comportamiento, morfología o
fisiología que surge en un ambiente determinado
como resultado de la selección natural, y que
mejora su oportunidad para sobrevivir y dejar
descendencia fértil. También llamada “adaptación
genotípica”.
• Aclimatación (Aclimatización): Cambios
compensatorios en un organismo bajo múltiples
desviaciones naturales del ambiente, sea
estacional o geográfico. También llamada
“adaptación fenotipica”.
• Aclimación: Cambios compensatorios como
consecuencia de la exposición controlada a
condiciones experimentales. P.ej. Laboratorio
• Acomodación: Respuesta inicial a cambios agudos en al
ambiente.
• Exaptación (Pre-adaptación): Se dice que una
estructura o función es una exaptación cuando su forma
actual que le permite desarrollar su función original,
también le permite asumir una nueva función. Es decir
surge para una función y termina utilizándose para otra.
• NO se refiere a una estructura que surge anticipando su
necesidad futura.
• Plasticidad fenotípica: Capacidad del genomas
de expresar diferentes fenotipos según el entorno.
• Limitada por el genotipo
• Evolutivamente el nivel de plasticidad puede
variar como consecuencia de cambios en el
genotipo
Mecanismos de Adaptación Animal a la Hypoxia
de Altura
•
•
•
•
•
Adaptación ventilatoria
Transporte de oxígeno por la hemoglobina
Sistema circulatorio: pulmonar, periférico
Transporte y utilisación de O2 en los tejidos
Adaptación embrionaria
Adaptación ventilatoria
• Mamíferos:
– Hiperventilación a PO2 entre 60-45 Torr, todos
entre 40 a 25 Torr.
• Humanos, ratas y ratones:
– Presentan desensibilisación a la hipoxia
– Factor genético, diferente RVH entre diferentes cepas
de ratones
Adaptación ventilatoria
• Aves:
–
–
–
–
La mayor adaptación
Gran umbral de respuesta
Intercambio gaseoso por contra-corriente
Mayor capacidad de difusión pulmonar
CICLO RESPIRATORIO
1. Inspiración: el aire fluye directamente a los sacos
caudales y los sacos craneales reciben el aire de los
pulmones.
2. Espiración: el
aire de los sacos
caudales fluye a
los pulmones
(y no hacia afuera)
CICLO RESPIRATORIO
3. Inspiración: el aire de los
Pulmones fluye hacia los sacos craneales.
4. Espiración: el
aire de los sacos
craneales fluye
hacia el exterior.
AVES
• Los sacos no intervienen en el intercambio gaseoso,
solo mueven el aire.
• El sistema de contra corriente cruzada permite que la
sangre oxigenada que deja el pulmón tenga una mayor
tensión de O2 que la PO2 del aire espirado.
• La sangre que está por dejar el pulmón está
directamente en intercambio con el aire que acaba de
entrar al pulmón y que viene de los sacos caudales con
una mayor PO2.
Transporte de oxígeno por la
hemoglobina
• Eritremia
• Afinidad de la hemoglobina por el oxígeno
Transporte de oxígeno en la sangre
• Eritremia: la mayoría de animales genéticamente
adaptados a la altura no presentan eritremia, o la
hacen muy moderadamente
Adaptación de la HB a la hipoxia
Hemoglobina y adaptación a la hipoxia:
1. Cambio intrínseco.
2. Cambio en la concentración de fosfatos.
3. Cambio para la unión con los fosfatos.
4. Uso de diferentes Hb (falconiformes, peces)
5. Diferente forma de la curva (cabra del Tibet).
Afinidad de la hemoglobina por el oxígeno
Log
P50
Log Peso (kg)
Afinidad de la Hb por el O2 según las especies y la altura
Alpaca
Vicuña
Llama
Camello
Camelidos
Nativas de
Nivel del mar
Nativas
de la altura
Chinchilla
Vison
Roedores
Conejo
Yak
Rumiantes
Buey
Avestruz
Aves
Ganso andino
6 aves de nivel del mar
0
10
20
30
40
PO2 arterial (mm Hg) a 50% de saturación
50
Camello Bactriano
(2 jorobas)
Asia
β 2 His
Dromediario
Camelus
(1 joroba)
Asia
Africa 3000 a
Pleistocèno (8Ma)
Himalaya
Control Alostérico
Camélidos
40 Ma
América del Norte
Guanaco
β 2Asn
Llama
quaternario (2Ma)
Andes
Control genético (2,3 DPG)
Llama
Alpaca
Vicuña
Cte de velocidad de oxigenación del GR = f(1/radio del GB)
ContO2
Afinidad de la Hb e Hipoxia
mM/L
8
1,600 m
4
2,800 m
0
4,500 m
6,400 m
20
40 60
arteria
vena
PO2 Torr
llama
oveja
Afinidad de la Hb e Hipoxia
(animal nativo (llama) vs animal introducido (oveja))
-El PaO2 es siempre más alto en llamas
-El coeficiente β (ΔC/ΔP) aumenta más en
llamas que en ovejas
-El PvO2 es mayor en llamas a mayores alturas
-La magnitud de la caída en el PvO2 es menor
en llamas (8 Torr) que en ovejas (26 Torr)
Curvas de disociación de la Hb en aves
Ganso Andino
100
Ganso de los Himalayas
Sat (%)
Pato de Pékin
Gallareta
50
Gallina
0
20
40
60
PO2 (mm Hg)
80
100
Comparación entre los P50
de gansos y gallinas en altura
y a nivel del mar
! Ganso del Himalaya
Anser Indicus
! Ganso Europeo
Anser Anser
! Ganso del Canada
Branta canadesis
# Gallina de Puno
Gallus gallus
# Gallina de nivel del mar
Gallus gallus
P50
(Torr)
Hb
(g/l)
29,7
17,3
39,5
17,0
42,0
18,1
31,4
15,0
51,1
10,2
Petschow et al, J. Appl. Physiol. 42(2), 139-143, 1977
León-Velarde et al, C.R. Acad sci. Paris, 313, série III, p. 401-406
Posibles cambios producidos por la
sustitución de un aminoácido:
• Cambios posibles :
– La conformación del sitio de unión, el ambiente local o el
sitio de unión en sí
– La región de interacción alostérica
– La interacción en sí
– La conformación de la unión Hb-efector
• Contribuiría a:
– Propiedades intrínsecas de unión de la Hb con el O2
– La estabilidad de la unión del HEM con el O2.
Comparación entre la secuencia de aa de la Hb de
gansos y de gallinas de altura y de NM
$αA
Posición
Ganso del Canada
Ganso Europeo
Ganso del Himalaya
Ganso Andino
% Gallina de Puno
% Gallina de nivel del mar
&αD
α34 α119 ß69 ß125 α119
Val
Pro Thr Asp Pro
Thr Pro Thr Glu Pro
Ala Ala
Asp Pro
Ile
Pro Thr Asp Pro
Thr
Thr
Pro
Pro
Ser
Thr
ß55
Leu
Leu
Leu
Ser
Glu
Glu
OberthÜr et al ., J. Physiol. Chem. (Hoppe-Seyler), 363 : 777-787, 1982
Hiebl et al., Biol. Chem., (Hoppe-Seyler), 367 : 591-599, 1986
León-Velarde et al, 1995
Diferencia en la interacción con el fosfato,
y alta afinidad de la Hb por el O2.
P50 (Torr)
60
50
40
30
20
10
0
2m a NM
Hb lavada
G. NM
Hb + IHP
G. Andina
Afinidad de la Hb por el O2. Efecto de la Temperatura
ANFIBIOS
Sat O2 (%)
100
F
L
F
50
T
L
T
PO2 mm Hg
0
50
100
oC
y
F, T y L a 20
pH = 7.84
0
50
F = 10 oC, pH= 7.99
T = 15 oC, pH= 7.92
L = 20 oC, pH= 7.84
100
Adaptación en el T. peruvianus
-Las 3 isoformas tienen
propiedades funcionales
parecidas.
-Mayor afinidad de uno
de los componentes,
por insensibilidad al Cl-Cambios en las
cadenas α en sitio de
unión al ClWeber, et al., Am J Physiol Regul
Integr Comp Physiol 283: R1052, 2002.
Adaptación circulatoria a la hipoxia
- Disminución del flujo sanguíneo en la mayoría de
órganos, a excepción del corazón y glándulas
adrenales (hipometabolismo).
- Animales aclimatados redistribución de flujo
Variables cardiopulmonares en hipoxia aguda
(FIO2=O.05) en el ganso del Himalaya y el pato Pekín
FC, lat/min
PAM, mm Hg
PaO2, Torr
PaCO2, Torr
CaO2, vol%
pH, arterial
Hct, %
P.Pekín
G.Himalaya
268(26)
159(11)
28.5(0.6)
6.4(0.3)
4.1(0.3)
7.54(0.05)
38.5(1.2)
216(41)
161(5)
27.7(0.7)
7.5(0.7)
10.4(0.4)
7.7(0.03)
41.9(1.3)
Faraci et al., Am. J. Physiol. 247 (Regulatory
Integrative Comp. Physiol. 16): R69, 1984.
El ganso del Himalaya (Anser indicus)
(Ejemplo de adaptación)
• Economiza energía, pues no aumenta el flujo
sanguíneo cerebral menos que el pato Pekin.
• Aumenta el contenido arterial de O2:
– Con incremento leve de la [Hb]
– P50 menor (mayor afinidad Hb- O2)
– Efecto Bohr: pH más alcalino, mayor afinidad Hb- O2
Faraci et al., Am J Physiol, 1984
Adaptación miocárdica a la hipoxia
• Aumenta la actividad adrenérgica
• catecolaminas en plasma y orina: aumentadas
• actividad de las fibras nerviosas adrenérgicas: aumentada
• Disminuye la respuesta cardiaca a la estimulación
adrenérgica endógena o exógena
• endógena, ejercicio: Fc max disminuye
• exógena, perfusión de isoprenalina: respuesta Fc disminuída
• Aumenta la respuesta a la estimulación parasimpática
Adaptación circulatoria pulmonar a la
hipoxia
• Hipertensión arterial pulmonar (HTPA)
– En animales no adaptados genéticamente a la altura:
Hombre, g. vacuno, caballo, chancho, conejo, gallina,
rata, etc.
- Pero con diferente susceptibilidad
Bases celulares de la vasoconstricción
pulmonar hipóxica
• La hipoxia inhibe la corriente de salida de los canales de
K+ (se inhibe la repolarización de la membrana)
• Se despolariza la célula y se abren los canales de Ca++,
entra Ca++ a la célula, y potencia la salida de Ca++ del
retículo sarcoplásmico
• El Ca++ se une a la calmodulina (Ca++-CaM)
• La Ca++-CaM activa las miosina-kinasa de cadena L de
(MLCK)
• La MLCK aumenta la actividad en la miosin-ATPasa
• La miosina activa, genera la contracción de las arterias
pulmonares.
Vasoconstricción pulmonar hipóxica
Canal de Ca++
Canal de K+
Hipoxia
membrana
del
miocito
X
Κ+
Ca++
Calmodulina
Gs
+
-
contracción
+
Gi
Ca++
Activación
MLCK -
Miosina
Activa
citosol
Ca++
RS
+
Miosin-ATPasa
Muscularización de la vasculatura
pulmonar.
PA = arterias
Pa = arteriolas
Pv = venas
Patrón:
- Muscularisación
de la media
- Capas elásticas de la
media bien diferenciadas.
Heath and Williams, 1995
Adaptación de la circulación pulmonar a la
hipoxia
- Circulación pulmonar : ausencia o muy
moderada hipertensión arterial pulmonar
– Ej: pika, llama, yak, marmota del Himalaya
- Las arteriolas pulmonares presentan una menor
contracción en hipoxia aguda, mediada por
canales de K+.
El yak (Poephagus grunniens)
• Ausencia de hipertensión arterial pulmonar
Caracter autosómico dominante
Animal cruce
Vaca
Yak
Dzo
Vaca x yak
Stol Dzomo x toro
Gar Dzomo x yak
Pap
27
20
21
25
25
Res. Pulm.
1,92
0,58
0,79
1,46
2,53
Anand et al., Thorax, 1986
Pika (Ochona curzoniae)
• Roedor de las alturas tibetanas y del altiplano de
Qinghai (37 millones de años)
• Presenta características adaptativas a la altura:
• Pika
• Rata
Pap
VD/VI+S
Hb
+5 mmHg
+19 mmHg
O,22
O,45
=
++
Ge et al., Am J Physiol, 1998
Pika vs Rata
Sakai et al, 1988
Rata
media ± ES
Pika
PAP
(mm Hg)
RVW
LVW
Ht (%)
0,4
50
20
0,3
40
10
0,2
0
2000
4000
0
A l t u r a
2000
( m )
4000
0
2000
4000
Adaptación del transporte y de la
utilización del O2 tisular
• Aumento de la capilaridad tisular ??
– En las aves: en el miocardio
• Aumento de la concentración de mioglobina
– En el cobayo, la alpaca (?)
• Adaptación metabólica : hipometabolismo
– En el feto de llama: hipometabolismo cerebral
Adaptación embrionaria
• Mamíferos
– Modificaciones placentarias:
• distancia intercapilar disminuída
– Aumento del flujo uterino
• Aves:
– Modificación de la permeabilidad de la cáscara del
huevo
En resumen
• Las estrategias son variadas
• Las más importantes son:
– Afinidad de la Hb-O2: aumentada
– Eritremia: ausente o muy leve
– Vasoconstricción pulmonar hipóxica: ausente