Respiración Celular

La respiración celular es el conjunto de reacciones metabólicas en las que los nutrientes orgánicos (principalmente la glucosa y los ácidos grasos) son oxidados en presencia de O₂ para formar CO₂ y H₂O. La energía presente en los nutrientes se emplea para sintetizar ATP, un nucleótido rico en energía, a partir del ADP y fosfato. La respiración celular es un proceso aerobio.

Procesos de la Respiración Celular

1. Glucólisis: Tiene lugar en el citosol y en ella la glucosa se transforma en ácido pirúvico, que entra en la mitocondria y se transforma en ácido acético.
2. Ciclo de Krebs: El ácido acético se oxida y se transforma en CO₂. Tiene lugar en la matriz de la mitocondria.
3. Transporte de Electrones: Proceden de las oxidaciones del ciclo de Krebs y son llevados hasta el O₂ por la cadena respiratoria, un grupo de proteínas transportadoras de la membrana interna de la mitocondria. Como consecuencia, se forma H₂O.
4. Fosforilación Oxidativa: Es el proceso de síntesis del ATP que tiene lugar en la membrana interna de la mitocondria. Para ello, utiliza la energía liberada en el transporte de los electrones en la cadena respiratoria.

El Proceso Respiratorio (Nivel Organísmico)

En el proceso respiratorio se pueden considerar tres fases diferentes:

• Ventilación: Consiste en la renovación constante del medio (aire o agua) con el que las superficies respiratorias intercambian gases entre el cuerpo y el medio externo.
• Intercambio Gaseoso: Se produce a favor de gradiente, es decir, desde el lugar donde la concentración es mayor hasta donde es menor.
• Transporte de Gases y Respiración Celular: El transporte de gases a las células es realizado por el aparato circulatorio, con la participación de células y de pigmentos respiratorios.

Características de las Superficies de Intercambio de Gases

Para que se pueda producir el intercambio de gases, los animales necesitan una superficie de intercambio que tenga las siguientes características:

• Unas paredes o membranas muy finas para favorecer la difusión de los gases.
• La superficie debe estar húmeda (el O₂ y el CO₂ deben estar disueltos en agua).
• El tamaño de la superficie debe ser lo suficientemente grande para que se pueda realizar el intercambio.
• Una alta vascularización que facilite el transporte.

Tipos de Respiración y Órganos Respiratorios

Respiración Cutánea

En la respiración cutánea, el intercambio de gases se realiza a través de la superficie corporal, húmeda y bajo la cual hay una amplia red de capilares. Entre los invertebrados, es propia de anélidos (oligoquetos) y de algunos moluscos y artrópodos, mientras que en vertebrados está presente en anguilas y algunos anfibios.

Órganos Especiales

• Traqueobranquias: Son órganos respiratorios típicos de muchos insectos acuáticos. Son tubos cerrados en los que el intercambio de gases se hace entre el agua y el aire que hay en el interior de dichos tubos.
• Pulmones de Agua: O cavidades respiratorias que dependen del aparato digestivo (ej. holoturias).

Respiración Branquial

Las branquias son los órganos respiratorios más importantes del medio acuático. Es una respiración muy eficaz para la baja concentración de oxígeno en el agua e implica el aumento de la superficie respiratoria y el aumento de la cantidad de sangre.

Tipos de Branquias:

• Branquias Externas: Expansiones de la superficie externa. Inconvenientes: Sufren lesiones fácilmente, entorpecen la locomoción (ej. algunos anélidos marinos, muchos crustáceos).
• Branquias Internas: Son menos vulnerables y requieren la existencia de un sistema eficaz de ventilación.
  • Invertebrados: Moluscos (localizados en la cavidad paleal, ventilación mediante cilios en bivalvos o el manto en cefalópodos). Crustáceos (situados en cámaras bajo el exoesqueleto, ventilación: los apéndices crean corrientes en torno a las branquias).
  • Vertebrados: Intercambio por contracorriente: el agua circula sobre las laminillas en sentido contrario a como lo hace la sangre en el interior de los capilares. La ventilación aumenta el flujo del agua sobre las branquias.
  • Peces Cartilaginosos: El agua entra por espiráculos o por la boca y sale por las hendiduras branquiales laterales. Están en constante movimiento porque carecen de sistema de ventilación.
  • Peces Óseos: Branquias formadas por arcos branquiales constituidas por un gran número de filamentos que contienen muchas laminillas branquiales, cubiertas por el opérculo, responsable de la ventilación.

Respiración Traqueal

La presentan la mayoría de los artrópodos terrestres (insectos y miriápodos principalmente). El aire es transportado directamente a todas las células mediante tráqueas.

• Tráqueas: Se ramifican hasta formar una red densa de tubos que llegan a todas las células. Los más finos son las traqueolas, que contienen un líquido en su interior con el que las células intercambian gases.
• En muchos insectos, las tráqueas presentan expansiones dorsales que son los sacos aéreos.
• La ventilación se lleva a cabo por difusión o por movimientos de la pared del cuerpo.
• Nota clave: En la respiración traqueal, el aparato circulatorio no transporta los gases.

Aparato Respiratorio Humano

Está formado por las vías respiratorias y los pulmones.

• Las Vías Respiratorias: Son las fosas nasales, la faringe, la laringe, la tráquea y los bronquios, tubos muy finos que terminan en los alvéolos pulmonares.
• Los Pulmones: Tienen multitud de alvéolos en los que se produce el intercambio de gases. El O₂ es mucho más abundante en el aire y pasa por difusión hacia la sangre. El CO₂ (cuya concentración es mayor en la sangre) sale de los vasos sanguíneos hasta el espacio del alvéolo. Con la ventilación, el aire se renueva para que se pueda repetir el proceso.

Excreción y Sistemas Excretores

Principales Productos de Excreción

• Agua: Es el más importante en volumen, debido a que es necesario para disolver a todas las demás moléculas.
• Sales minerales: Su eliminación es necesaria para la homeostasis.
• Dióxido de carbono (CO₂): Se elimina en la superficie y órganos respiratorios.
• Pigmentos biliares: Proceden de la degradación de lípidos especiales como el grupo hemo de la hemoglobina y se eliminan con las heces y la orina.
• Sustancias nitrogenadas: Hay tres tipos:
  • Amoniaco: Es una sustancia muy tóxica que requiere una gran cantidad de agua para diluirla.
  • Urea: Es una molécula menos tóxica que el amoniaco. Se sintetiza en el hígado a partir del amoniaco y dióxido de carbono.
  • Ácido úrico: Tiende a solidificar y se secreta como una suspensión semisólida, que necesita una pequeña cantidad de agua.

Aparatos Excretores en Invertebrados

• Poríferos y Cnidarios: Eliminan los desechos por difusión directa al medio.
• Equinodermos: Carecen de aparato excretor. El sistema ambulacral elimina los desechos.
• Protonefridios: Característicos de animales acelomados. Colaboran en la excreción y en la osmorregulación. Consisten en una red de tubos ramificados acabadas en células dotadas de cilios (células flamígeras) o de flagelos (solenocitos).
• Metanefridios: Característicos de animales con celoma (anélidos y moluscos). Presentan un tubo rodeado de capilares, con dos aberturas:
  • Nefrostoma: Abertura interna, se abre al celoma y recoge líquido celómico. En el interior del metanefridio se produce la reabsorción de compuestos útiles.
  • Nefridioporo: Abertura externa, elimina los desechos.
• Tubos de Malpighi: Característicos de los insectos. Constituyen un sistema de tubos delgados ciegos que se abren al tubo digestivo. Los desechos, agua y solutos de la cavidad celómica pasan al interior del tubo y se eliminan posteriormente por el ano.
• Glándulas Verdes: Crustáceos. Situadas en la base de las antenas y están formadas por: saco ciego (donde se recogen sustancias de desecho), túbulo (donde se reabsorben las sustancias útiles) y la vejiga (donde se eliminan los desechos a través de su pequeño orificio).

El Riñón y la Nefrona (Vertebrados)

Estructura del Riñón

Presenta una zona externa (la corteza), una zona media (la médula) y una región central con forma de embudo (la pelvis renal) en la que convergen los tubos colectores y de la que nace el uréter.

• Cápsula renal: Capa externa de tejido conjuntivo.
• Corteza renal: Formada por los corpúsculos de Malpighi y los túbulos contorneados.
• Médula renal: Constituida por las asas de Henle y los túbulos colectores que forman las pirámides renales.
• Pelvis renal: Formada por los cálices renales en forma de embudo.

La Nefrona

Está formada por el corpúsculo renal y el túbulo renal.

• Corpúsculo Renal: Tiene dos partes:
  • El glomérulo, que es una red de capilares formados por la ramificación de una arteriola aferente que procede de la arteria renal.
  • La cápsula de Bowman, que es un ensanchamiento del túbulo renal.
• El Túbulo Renal: Es un largo tubo que tiene tres regiones: el túbulo contorneado proximal, el asa de Henle y el túbulo contorneado distal.

Formación de la Orina

La orina se forma en las nefronas mediante tres procesos:

• Filtración Glomerular: La presión sanguínea en los capilares del glomérulo impulsa a salir el agua y otros componentes del plasma (excepto las proteínas) hacia el interior del túbulo.
• Reabsorción: La mayor parte del líquido filtrado en los glomérulos (que incluye agua, iones y glucosa y otros nutrientes) se reabsorbe hacia la sangre. El transporte de agua es por ósmosis y el de otras moléculas es por transporte activo, con gasto de energía.
• Secreción: Se produce sobre todo en el túbulo contorneado distal. Algunas moléculas o iones, como el potasio, son segregados desde la sangre hacia el túbulo por las células epiteliales.

Aparatos Excretores de los Vertebrados Acuáticos

La función de su aparato excretor depende del medio en el que viven.

• En Agua Dulce (peces de agua dulce y anfibios): Eliminan exceso de agua por ósmosis. Absorción activa de sales minerales por branquias. Impiden la pérdida de sales, reabsorbidas por las nefronas. Orina muy diluida.
• En Agua Salada: Pierden agua por ósmosis. Las sales se eliminan mediante la secreción de las branquias. Orina muy concentrada.

Sistema Nervioso: Neuronas, Glía y Organización

Tipos de Neuronas

Según el número de prolongaciones:

• Monopolares: Presentan una única prolongación, el axón (no son muy frecuentes).
• Pseudomonopolares: Tienen una única ramificación que se divide en un axón y una dendrita.
• Bipolares: Poseen dos prolongaciones: una dendrita y un axón.
• Multipolares: Tienen varias dendritas y un axón.

Según la función:

• Sensitivas: Llevan la información de receptores a centros nerviosos.
• Motoras: Llevan la orden para dar la respuesta desde los centros nerviosos hasta los efectores.
• De Asociación o Interneuronas: Unen sensitivas y motoras dentro del SNC.

Según la velocidad de transmisión:

• Mielínicas: Axones rodeados por células de la glía.
• Amielínicas: Axones desprovistos de células gliales.

Células de la Glía (Neuroglía)

Sirven como soporte estructural para las neuronas, proporcionan los nutrientes necesarios, recogen los residuos metabólicos producidos, sirven de guía a las migraciones neuronales y desempeñan tareas inmunológicas.

Tipos de Células Gliales:

• Microglía: Células localizadas en la proximidad de los vasos sanguíneos del SNC. Estas células fagocitarias recogen los residuos celulares. Relacionadas con enfermedades causadas por priones.
• Astrocitos: Denominados así por su forma estrellada, realizan distintas funciones. Algunos son fagocitos encargados de eliminar organismos.
• Oligodendrocitos: Son las células gliales mielínicas que recubren a los axones de las neuronas del SNC.
• Células de Schwann: Los axones de las neuronas motoras suelen estar rodeados por las células de Schwann. Estas células están formadas, casi exclusivamente, por una membrana plasmática rica en una sustancia lipídica llamada mielina. La membrana plasmática se encuentra alrededor del axón formando la capa de vaina de mielina que presenta unas discontinuidades llamadas nódulos de Ranvier. A este tipo de propagación del estímulo se le llama conducción saltatoria y este proceso ahorra mucha energía.

Sistemas Nerviosos en Invertebrados

• Celentéreos y Equinodermos: Los celentéreos (como los pólipos) tienen una organización reticular, poseen una serie de células interconectoras formando una red. Los equinodermos (como las estrellas de mar) poseen la forma más elemental de organización nerviosa de estructura radial.
• Platelmintos y Nematodos: En ambos casos, empiezan a concentrarse neuronas en el extremo anterior del animal. La cabeza de un platelminto contiene ganglios cerebrales o grupos de células nerviosas y órganos de los sentidos concentrados en la cabeza.
• Anélidos, Artrópodos y Moluscos: Los axones neuronales se unen en haces formando nervios y aparece una cadena de ganglios periféricos en posición central.
  • Los moluscos son un buen ejemplo de correlación entre la complejidad del sistema nervioso y los hábitos de vida.
  • Los cefalópodos poseen el sistema nervioso central más sofisticado y órganos de los sentidos muy desarrollados que les permiten ser depredadores muy eficaces.

Sistema Nervioso Central (SNC)

Protegido por: estructuras óseas (cráneo y columna vertebral), envolturas membranosas y cuatro cavidades o ventrículos, comunicados entre sí y con el conducto que recorre el interior de la médula.

Estructura del Cerebro

La parte interior del cerebro está formada por axones con mielina que constituyen la materia blanca. La parte exterior o corteza cerebral está integrada por cuerpos neuronales y axones sin mielina, lo que produce color grisáceo y se forma la materia gris. La corteza cerebral posee numerosos repliegues llamados circunvoluciones. En el cerebro existe un gran surco que lo divide en dos mitades llamados hemisferios (derecho e izquierdo). Permite distinguir cuatro regiones (lóbulos): frontal, parietal, temporal y occipital.

La Sinapsis

Transmisión del impulso nervioso desde el axón de una neurona hasta la dendrita de la siguiente o a un órgano efector.

Sinapsis Eléctrica

En mamíferos, solo en la transmisión del impulso nervioso de las células musculares cardíacas.

Sinapsis Química

• La neurona presináptica sintetiza neurotransmisores.
• Los neurotransmisores viajan en vesículas hasta el botón axónico.
• Entrada de calcio en la neurona presináptica.
• Las vesículas unen su membrana con la membrana plasmática y liberan el neurotransmisor al espacio sináptico.
• El neurotransmisor se une a su receptor de la membrana postsináptica.
• Induce un incremento de permeabilidad de esta membrana al Na⁺.
• La entrada de Na⁺ despolariza la membrana.
• El impulso nervioso se propaga en la neurona postsináptica: neurotransmisor excitador.
• Neurotransmisor inhibidor: causa hiperpolarización de la neurona postsináptica, dificultando la transmisión del impulso nervioso.
• Los neurotransmisores se separan del receptor, son destruidos o recapturados y reutilizados por la neurona presináptica.

Sistema Endocrino y Regulación Hormonal

Glándulas Endocrinas Principales

Glándulas endocrinas surgidas de la evolución de células neurosecretoras de organismos primitivos:

• Hipotálamo: Situado en el diencéfalo. Segrega neurohormonas.
• Hipófisis: Situada en el diencéfalo. Tres lóbulos: anterior, medio y posterior.
• Glándula Pineal: Masa de células situada en el centro del cerebro de los mamíferos.
• Tiroides: Parte anterior de la tráquea. En la parte posterior, paratiroides.
• Páncreas: Glándula mixta. Contiene los Islotes de Langerhans.
• Cápsulas Suprarrenales: Sobre los riñones. Dos zonas: corteza y médula.
• Gónadas: Glándulas mixtas (ovarios y testículos).

Hipotálamo

• Controla la actividad hormonal del organismo.
• Actúa de enlace entre el SN y el SE.
• Sus neuronas reciben información de otras áreas del cerebro y del nivel de hormonas en sangre.
• Elabora respuestas en forma de hormonas, liberadoras e inhibidoras, que pasan a la sangre.
• Actúan sobre el lóbulo anterior de la hipófisis, regulando la producción de hormonas.
• Secreta oxitocina y hormona antidiurética (ADH), que se almacenan en el lóbulo posterior de la hipófisis.

Hipófisis

Glándula endocrina controlada por el hipotálamo. Controla la actividad de muchas glándulas endocrinas.

A) Adenohipófisis (Lóbulo Anterior)

• No tiene origen nervioso.
• Se diferencia a partir del paladar del embrión y no del encéfalo (no forma parte del SN).
• Secreta:
  • TSH: Controla la producción por el tiroides.
  • ACTH.
  • PRL o prolactina.
  • GH o somatotropina.
  • MSH.

B) Neurohipófisis (Lóbulo Posterior)

• Acumula y libera oxitocina y ADH (vasopresina).

Regulación de la Glucemia

• Glucemia: Cantidad de glucosa en sangre (80-100 mg/ml).
• Variaciones controladas por mecanismos homeostáticos en los que están implicados:

A) Páncreas:

• Insulina: Se libera con nivel elevado de glucosa. Disminuye el nivel de glucosa, pues estimula su uso por las células y su transformación en glucógeno en el hígado.
• Glucagón: Se segrega cuando baja la glucosa en sangre. Incrementa la concentración de glucosa a partir del glucógeno hepático.

B) Cápsulas Suprarrenales:

• La hipófisis libera ACTH en situaciones de peligro.
• La corteza suprarrenal segrega cortisol, que acelera la degradación de proteínas en el hígado y su conversión en glucosa.
• La médula segrega adrenalina y noradrenalina, que favorecen el catabolismo de las grasas, lo que aumenta la cantidad de glucosa en sangre.

Receptores Sensoriales

Clasificación según la naturaleza del estímulo al que son sensibles:

• a) Mecanorreceptores: Son terminaciones nerviosas rodeadas de conjuntivo (corpúsculos). Oído o Piel.
  • Corpúsculos de Meissner: Tacto.
  • Corpúsculos de Vater-Pacini: Presión.
  • Órgano de Corti: Sonido (Oído interno).
• b) Termorreceptores: Piel.
  • Corpúsculos de Krause: Frío.
  • Corpúsculos de Ruffini: Calor.
• c) Quimiorreceptores: Sensibles a sustancias químicas.
  • Receptores olfativos: Pituitaria amarilla de las fosas nasales (sustancias volátiles).
  • Receptores gustativos: Papilas gustativas (sustancias químicas en disolución).
• d) Fotorreceptores: Sensibles a la luz (Retina).
  • Conos: Visión en color.
  • Bastones: Visión nocturna.