Fisiología Animal: Introducción

Fisiología Animal

• Rama de la fisiología encargada de estudiar el funcionamiento biológico de las especies animales.
• Los análisis pueden realizarse a nivel de órgano o celular.
• La diversidad es un factor común dentro de la fisiología animal.
• Ciencia que estudia las diferentes funciones en las especies animales.
• Las investigaciones se realizan a nivel celular, de órganos y de sistemas.
• Los estudios se basan en comprender el comportamiento de tejidos y aparatos.

Fisiólogos animales

• Estudian la estructura y función de las partes animales.
• Analizan cómo trabajan juntas para mejorar el comportamiento animal y su respuesta al ambiente.
• Los procesos fisiológicos obedecen leyes físicas y químicas.
• Se regulan para mantener condiciones internas aceptables (homeostasis) a través de retroalimentación.
• El estado fisiológico es parte del fenotipo, resultado del genotipo y su interacción con el ambiente.
• El genotipo es producto del cambio evolutivo en grupos de organismos.

Fenotipo Fisiológico

• Afectado por diferentes procesos.
• El genotipo y el ambiente interactúan a lo largo del desarrollo para producirlo.
• Es producto de procesos a nivel bioquímico, celular, tisular, de órganos y organismos.
• El ambiente influye en el fenotipo adulto.
• Los organismos cambian su comportamiento mediante aprendizaje o modificación de respuestas fisiológicas cambiando sus fenotipos.
• El fenotipo influye en el éxito reproductivo.
• La supervivencia desigual de organismos con fenotipos distintos puede generar un cambio evolutivo en el genotipo de una población.

Hélice Alfa

• Barco para investigación oceánica nombrado después del modelo de ADN de Watson y Crick.
• Adquirido en 1964 por el Instituto Oceanográfico Scripps (Universidad de California, San Diego).
• Construido como un sofisticado laboratorio para biólogos experimentales que exploran hábitats naturales.
• Fungió como laboratorio flotante para expediciones anuales.
• La expedición inaugural fue a la Gran Barrera de Coral donde se estudiaron arrecifes y bosques de manglares.
• En 1967, el Hélice Alfa exploró el río Amazonas para estudiar el comportamiento y evolución de peces y animales terrestres.

Subdisciplinas en la Investigación Fisiológica

• El conocimiento moderno de la fisiología es resultado de esfuerzos de muchos científicos.
• Un fisiólogo animal normalmente se especializa en una o dos subdisciplinas.
• Hay tres maneras principales de definir estas, por nivel de organización biológica, naturaleza del proceso, y los últimos logros en investigación.

Subdisciplinas por Nivel Biológico de Diferenciación

• Fisiólogos celulares y moleculares: Estudian fenómenos a nivel celular (genética molecular, transducción de señales).
• Fisiólogos de sistemas: Estudian interacciones celulares y tisulares para realizar funciones en el animal completo (fisiólogos respiratorios y sensoriales).
• Fisiólogo del organismo: Examina procesos específicos o comportamientos en animales sanos, donde la tasa metabólica resulta de sistemas fisiológicos interactuando.
• Fisiólogo medioambiental: Analiza la influencia de propiedades fisiológicas en la distribución y abundancia de especies, por ejemplo, el cómo la distribución de nutrientes afecta el crecimiento animal.
• Fisiólogos ecologistas: Se centran en cómo un ambiente interesante afecta a diversos animales.
• Fisiólogo integrador: Busca entender los procesos fisiológicos en varios niveles de organización biológica y a través de múltiples sistemas.

Subdisciplinas por Proceso que Genera Variación

• Muchos fisiólogos analizan cómo cambian las funciones biológicas en respuesta al tiempo o al entorno.
• Fisiólogo del desarrollo: Estudia cambios estructurales y funcionales durante las etapas de la vida, desde el embrión hasta la senescencia.
• Fisiólogo del medio: Valora respuestas fisiológicas de los animales a los desafíos del medio ambiente.
• Por ejemplo, investigan como los cambios de temperatura afectan los sistemas fisiológicos, y cómo los animales se adaptan para sobrevivir a estos retos.
• Fisiólogo evolutivo: Explica cómo surgen rasgos fisiológicos específicos en los linajes a través de generaciones, interesados en la variación dentro de poblaciones o diferencias entre grupos animales.

Subdisciplinas por Últimos Logros de Investigación

• Fisiólogo aplicado: Investiga para conseguir objetivos específicos y prácticos.
• Se incluyen estudios sobre animales por su relevancia económica, y la medicina veterinaria usa investigación fisiológica para mejorar la salud de animales.
• Médico fisiólogo : Utiliza animales para entender la condición humana.
• Fisiólogo comparativo : Estudia animales para entender la naturaleza y origen de la diversidad fisiológica. La fisiología comparada animal se construye a partir de la diversidad fisiológica buscando unificar conceptos.

Leyes Básicas de la Fisiología Animal y Ejemplos

• Procesos fisiológicos obedecen leyes físicas y químicas.
• Las reglas mecánicas de la ingeniería se aplican a propiedades físicas de animales.
• Las leyes químicas gobiernan interacciones entre las moléculas biológicas.
• Las leyes físicas describen el funcionamiento de las membranas de todas las células, incluyendo las excitables.
• El tamaño corporal afecta muchos procesos fisiológicos.
• Los procesos fisiológicos se regulan normalmente.
• La homeostasis es el mantenimiento de la constancia interna.
• La retroalimentación negativa ayuda a mantener la homeostasis.
• La retroalimentación positiva produce una respuesta explosiva.
• El fenotipo fisiológico es producto de la interacción entre el genotipo y el medio ambiente.
• Genotipos idénticos pueden dar lugar a diferentes fenotipos.
• El fenotipo cambia con el desarrollo normal, y también con el entorno y los retos fisiológicos.
• La plasticidad fenotípica es la capacidad de un fenotipo para cambiar en respuesta a las condiciones del ambiente.
• El genotipo es el producto de la evolución, que actúa a través de la selección natural y otros procesos evolutivos.
• La adaptación se refiere al rasgo que confiere un aumento en el éxito reproductivo.
• La adaptación también puede referirse a cambios fenotípicos que mejoran el funcionamiento de un sistema fisiológico sin un cambio evolutivo subyacente.
• No todas las diferencias son adaptaciones.

Procesos Fisiológicos y Leyes de la Física y la Química

• La teoría mecánica ayuda a entender cómo funcionan los organismos.
• Los materiales biológicos, los biomateriales, tienen propiedades físicas que son útiles para algunos procesos, pero no para otros.
• Las características físico-químicas de estos materiales están influenciadas por las propiedades moleculares.
• Una red de proteínas puede volverse más rígida por enlaces adicionales que unen proteínas.
• Las células utilizan reacciones enzimáticas para ajustar las propiedades físicas de las macromoléculas.
• Los materiales se juntan para formar células.
• Estas células se agrupan para formar tejidos.
• Un fisiólogo cardiovascular busca entender cómo el corazón distribuye la sangre a través de los vasos sanguíneos.

Leyes Químicas y Temperatura en las Interacciones Moleculares

• La temperatura influye en los procesos fisiológicos porque estos tienen su base en las leyes físicas y químicas.
• La velocidad de las reacciones químicas se incrementa al aumentar la temperatura.
• Esto genera un aumento en la energía de las moléculas.
• La velocidad de una reacción química está relacionada con las colisiones moleculares.
• Cuantas más colisiones moleculares, más rápida es la reacción.
• Los sucesos moleculares y sus efectos se combinan para influir en cómo los animales actúan recíprocamente con la temperatura ambiental.

Leyes Físicas y Potenciales Eléctricos

• Las leyes físicas describen el funcionamiento de las membranas en todas las células, incluyendo las excitables.
• Los potenciales eléctricos son una moneda de cambio en la fisiología animal.
• Los animales utilizan la electricidad para iniciar sus actividades.
• Las células establecen una diferencia de cargas a través de las membranas biológicas mediante el movimiento de iones y moléculas.
• Los animales usan cambios en los potenciales eléctricos para enviar señales dentro y entre células, ayudando a coordinar procesos complejos del cuerpo.
• Los músculos y las neuronas utilizan cambios en el potencial de membrana para enviar señales.
• La actividad eléctrica es una parte importante de cómo funcionan las neuronas y los músculos.
• Luigi Galvani lo descubrió en el siglo XVIII, hoy se sabe que las neuronas transportan información por medio de señales eléctricas.

Tamaño Corporal y Procesos Fisiológicos

• El tamaño corporal afecta a muchos procesos fisiológicos.
• Los modelos bioquímicos y fisiológicos están influidos por el tamaño corporal.
• Los animales varían enormemente en tamaño corporal.
• Es muy importante la relación entre el área superficial y el volumen.
• Algunas propiedades varían en relación con el volumen.
• Otras propiedades varían en relación con el área.
• El calor se produce por el metabolismo de los tejidos.
• La tasa metabólica del animal depende de la masa de los tejidos.
• El calor metabólico se pierde a través de la superficie del cuerpo.
• Un animal grande tiene más dificultad para desprender calor metabólico.
• La relación cuantitativa entre el tamaño corporal y los tamaños fisiológicos, como la masa metabólica y la respiración, es el escalamiento alométrico.

Regulación de los Procesos Fisiológicos

• La mayoría de los organismos se enfrentan a entornos cambiantes.
• La temperatura, los alimentos y la composición química del aire o del agua pueden cambiar.
• Los animales multicelulares pueden ser conformistas o reguladores.
• Los conformistas permiten que las condiciones internas cambien enfrentándose a variaciones externas.
• Por ejemplo, la temperatura del cuerpo de un pez puede ser baja en agua fría y alta en agua caliente, entonces cada célula debe remediar los efectos de los cambios de la temperatura externa.
• Los reguladores mantienen relativamente constantes las condiciones internas, independientemente del ambiente externo.
• Cada estrategia tiene beneficios y costes.
• Las respuestas fisiológicas demandan energía metabólica, conformarse es mucho más barato que regular.
• Los cambios en el ambiente pueden tener efectos deletéreos en la fisiología, regular proporciona un ambiente mucho más estable.

Homeostasis

• Se caracteriza por mantener la constancia interna.
• Existen principios que gobiernan los cambios fisiológicos,
• Algunas estrategias fisiológicas son efectivas a corto plazo, pero menos útiles a largo plazo.
• Algunas estrategias requieren una inversión significativa y prolongada de recursos.
• Algunos factores de estrés son predecibles,
• Los procesos fisiológicos cambian diariamente mostrando ritmos circadianos.
• Algunos cambios son estacionales y otros patrones, como los ciclos reproductores humanos, están ligados al ciclo lunar.
• Los cambios fisiológicos cíclicos tienen lugar sin ningún estímulo ambiental, sino que aparecen generalmente en respuesta a pistas ambientales como la temperatura o los fotoperiodos

Retroalimentación y Vías Fisiológicas

• Para mantener la homeostasis, los animales pueden detectar condiciones externas, iniciar respuestas compensatorias y mantener las áreas vitales equilibradas.
• La homeostasis generalmente se mantiene usando vías de control reflejo.
• Un cambio en el medio interno o externo proporciona un estímulo, provocando una repuesta.
• Los circuitos de controladores antagónicos son comunes en los animales (insulina y glucagón son controladores antagónicos de los niveles de glucosa).

Retroalimentación Negativa y Positiva

• En la retroalimentación negativa, una señal retrograda al estimulo reduce su intensidad ( homeostasis).
• Muchos sistemas fisiológicos tienen puntos de ajuste y rangos tolerables con la temperatura corporal con un punto de ajuste aprox. a 37°C.
• Cuando esta temperatura sube el cuerpo suda y cuando baja puede inducirnos a temblores hasta llegar al punto de ajuste.
• En sistemas de retroalimentación positiva están controlados por bucles que maximizan los efectos, por ejemplo, los músculos del estómago.
• Cuando se detecta una toxina se producen contracciones enérgicas hacia el esófago que producen el vómito.

Fenotipo y Genotipo

• Las propiedades fisiológicas de un animal constituyen aspectos de su fenotipo.
• Los rasgos fisiológicos están determinados en gran medida por los genes de su genoma, y la forma en que son regulados los genes,.
• Un genotipo individual tiene la capacidad de producir variaciones considerables en las propiedades celulares.
• Los genes son regulados en combinaciones que generar distintos tejidos.
• Durante este proceso de formación de tejidos (Morfogénesis), las redes de genes se activan y desactivan en patrones que crean el fenotipo apropiado,.
• Los cambios en la expresión de los genes permiten a los músculos cambiar de tamaño y fortaleza en respuesta al ejercicio.
• Las diferencias en el genotipo entre los animales son fundamentales para las variaciones fenotípicas sobre la que actua la selección natural.

Plasticidad Fenotípica y Poligenismo

• Un genotipo puede crear múltiples fenotipos, dependiendo de las condiciones ambientales a lo que se le conoce como plasticidad fenotípica.
• En gemelos idénticos que se desarrollan en diferentes sitios es posible que uno de ellos sea más alto debido a la diferencia en la dieta.
• La plasticidad en el desarrollo o poligenismo es una forma de variedad genotípica en la que el desarrollo puede dar lugar en el organismo adulto a genotipos alternativos, que ya no pueden ser modificados por cambios posteriores.

Aclimatación y Aclimatización

• La mayoría de los animales son capaces de remodelar su maquinaria fisiológica.
• Los fisiólogos utilizan los términos aclimatación y aclimatización cuando dan un origen a cambios reversibles en el fenotipo.
• La aclimatación comprende el proceso de cambio en respuesta a una variable ambiental controlada (normalmente en el laboratorio).
• La aclimatización se refiere al proceso de cambio en respuesta a un cambio natural en el ambiente.

Adaptación

• La adaptación tiene dos significados distintos dentro del ámbito de la fisiología.
• Se refiere al producto o proceso de la evolución por selección natural.
• Los fisiólogos evolutivos dicen que la adaptación es un rasgo que emergió a través de un proceso como la selección natural que conduce a un aumento en el éxito reproductivo.

Estructura Celular

• Nivel subatómico y atómico.
• Nivel molecular: Átomos encadenados para formar moléculas.
• Nivel celular: Conjunto de estructuras atómicas que funcionan coordinadamente.
• Nivel tisular: Conjunto de células que funcionan coordinadamente con una disposición estructural específica.
• Nivel de órgano.
• Nivel de sistema.
• Nivel de aparato.
• Nivel del organismo.

La Célula

• Unidad anatómica fundamental de todos los organismos vivos.
• Célula Procariota:
• Sin núcleo y material genómico disperso
• ADN "desnudo"
• Cromosoma único, circular
• Pared celular de peptidoglucano
• Menor tamaño, de 0,2 µm a 2 μm de diámetro
• División: Fisión Binaria
• Célula Eucariota :
• Núcleo con material genómico confinado
• ADN unido a proteínas
• Cromosomas múltiples
• Pared celular sólo en células vegetales (celulosa) y hongos (quitina)
• Mayor tamaño, de 10 µm a 100 µm de diámetro
• División: Mitosis, meiosis

Componentes Celulares

• Retículo endoplasmático rugoso y liso.
• Ribosomas
• Citoplasma
• Núcleo
• Aparato de Golgi
• Mitocondria
• Membrana Plasmática
• Lisosoma
• Centriolo

Membrana Plasmática

• Delimita la célula representando si límite externo.
• Intercambio y transporte de sustancias que regula el interior y exterior celular.
• Receptor de señales .

Núcleo

• Estructura esférica, rodeada de una membrana la cual es una bicapa (interna y externa).
• Compartimento intracelular en el cual el material genético se encuentra confinado.
• Cuenta con estructuras como el nucleolo formando un conglomerado de ADN ribosómico y de proteínas

Mitocondrias

• Organela central rodeada de dos membranas.
• La membrana interna forma pliegues: crestas mitocondriales.
• La membrana externa compuesta por "cardiolipina” haciéndola prácticamente impermeable. A pesar de su impermeabilidad cuenta con poros.
• Función Central: Generar energía a través de la cadena transportadora de electrones generando energía gracias a una molécula de oxígeno “ATP".

Ribosomas

• Estructura Supramacromolecular que cuenta con la asociación de ARN + Proteína.
• Responsables en la síntesis de proteínas esenciales para todos los seres vivos.
• Las proteínas son la base para la mayoría de los procesos biológicos y son responsables por el transporte de sustancias, regeneración de tejidos y regulación del metabolismo

Citoesqueleto

• Una estructura proteica que se interrelaciona y sirve de sostén estructural para la célula.
• Las células adquieren distintas configuraciones de forma.
• Es un entramado tridimensional de proteínas que provee soporte interno a las células.
• Organiza las estructuras internas.
• Interviene en los fenómenos de transporte, tráfico y división celular.

Retículo Endoplasmático

• Red de membranas para transportar proteínas y otras moléculas.
• Las proteínas se ensamblan en ribosomas.
• Involucrado en depurar las sustancias tóxicas y en el metabolismo de fármacos.
• Actúa como reservorio intracelular de calcio.

Aparato de Golgi

• Orgánulo celular que ayuda en la fabricación y empaquetamiento de las proteínas y los lípidos.
• Cuenta con vesículas secretoras, que llevan las proteínas al exterior y de almacenamiento, donde las proteínas quedan en el citoplasma hasta ser exportadas

Membrana Celular

• Compuesta por dos capas de fosfolípidos.
• Delimita a la célula.
• Es una estructura con proteínas para el paso de algunas sustancias.
• Presenta en las células eucariotas colesterol.

Gradiente de Concentración

• Diferencia en la cantidad de una sustancia a uno y a otro lado de la membrana.
• Una sustancia se mueve de un medio con mayor concentración a uno con menor concentración, y este movimiento NO requiere energía extra.
• En el transporte se necesita energía cuando el paso se hace en contra del gradiente de concentración.

Transporte a Través de la Membrana Plasmática

• División de transporte Activo
• Requiere energía.
• Pasivo:
• No requiere energía

Transporte Activo

• Mueve moléculas en contra gradiente de concentración, de un área menos concentrada, hasta un área mas concentrada
• Por lo tanto, requiere energía.
• Utiliza transportadores.
• Puede ser:
• Primario (Utiliza energía “ATP”)
• Secundario (Cotransporta dos sustancias.)

Transporte Pasivo

• No requiere energía.
• Se clasifica en:
• Simple: pasa una sustancia de un lado al otro de la membrana.
• Facilita : las proteínas a modo de canales o poros que facilitan el paso de sustancias
• Para que se logre se necesita la polaridad, el tamaño y la carga de la molécula.
• Es el transporte de gases (O2 CO2 N₂) a través de la membrana plasmática que cuenta con una permeabilidad. Si hay una > Concetración se transporta hasta < concetración .
• Se rige bajo la lay de Fick.

Metabolismo Celular

• Un conjunto de reacciones químicas y transformaciones de la materia.
• Se clasifican en :
• Reacciones Anabólicas
• Reacciones Catabólicas
• La célula opera rutas metabólicas de forma secuencial, con enzimas que a su vez se encuentra estrictamente reguladas.
  • Tiene como objetivos:
    • Obtención de energía a través de las reacciones catabólicas.
    • Síntesis de compuestos relacionados al anabolismo
• Anabolismo:
• Para sustancias simples donde se necesita energía.
• A partir de sustancias simples construye estructuras complejas (síntesis, reducción) con reacciones endotérmicas
• Catabolismo:
• Apartir de sustancias complejas con reacciones exotérmicas forma estructuras simples libertándose energía en el proceso (degradativas, oxidativas ).