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

MecanismosMecanismos de de AdaptaciónAdaptación Animal a la Animal a la HypoxiaHypoxiade de AlturaAltura

• Adaptación ventilatoria

• Transporte de oxígeno por la hemoglobina

• Sistema circulatorio: pulmonar, periférico

• Transporte y utilisación de O2 en los tejidos

• Adaptación embrionaria

AdaptaciónAdaptación ventilatoriaventilatoria

• 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

AdaptaciónAdaptación ventilatoriaventilatoria

• 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 sacoscaudales y los sacos craneales reciben el aire de lospulmones.

2. Espiración: elaire de los sacoscaudales fluye alos pulmones(y no hacia afuera)

CICLO RESPIRATORIO

3. Inspiración: el aire de losPulmones fluye hacia los sacos craneales.

4. Espiración: elaire de los sacoscraneales 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 genéticamenteadaptados 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

LogP50

Log Peso (kg)

POPO22 arterialarterial (mm Hg) a 50% de (mm Hg) a 50% de saturaciónsaturación

00 1010 2020 3030 40 40 5050

AvesAves

RumiantesRumiantes

RoedoresRoedores

CamelidosCamelidos

AvestruzAvestruz

BueyBueyYakYak

ConejoConejoVisonVison

ChinchillaChinchilla

CamelloCamelloLlamaLlama

VicuñaVicuñaAlpacaAlpaca

GansoGanso andinoandino

Nativas Nativas de de Nivel del mar Nivel del mar

NativasNativasde la de la altura altura

6 6 avesaves de de nivel del marnivel del mar

Afinidad Afinidad de la de la Hb por elHb por el OO22 según según las las especies especies y la y la alturaaltura

CamélidosCamélidos40 Ma40 Ma

América del NorteAmérica del Norte

CamelusCamelusPleistocènoPleistocèno (8Ma)(8Ma)

HimalayaHimalayaControl Control AlostéricoAlostérico

LlamaLlamaquaternarioquaternario (2Ma)(2Ma)

AndesAndesControl Control genéticogenético (2,3(2,3 DPG)DPG)

CamelloCamello BactrianoBactriano(2 (2 jorobasjorobas))

AsiaAsia

Dromediario Dromediario (1 (1 jorobajoroba) ) Asia Asia

AfricaAfrica 3000 a3000 a

GuanacoGuanaco

LlamaLlama

AlpacaAlpaca

VicuñaVicuña

β β 2Asn2Asn

β β 2 �2 �HisHis

Cte de velocidad de oxigenación del GR = f(1/radio del GB)

Afinidad de la Hb e HipoxiaContO2

1,600 m

PO2 Torr

04

8

20 40 60arteriavena

llamaoveja

2,800 m

6,400 m4,500 m

mM/L

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)

00 2020 4040 6060 8080 100100

100100

5050Sat

Sat

(%)

(%)

POPO22 (mm Hg)(mm Hg)

PatoPato de Pékinde Pékin

GallinaGallina

GansoGanso de de loslos HimalayasHimalayas

Curvas Curvas de de disociacióndisociación de la de la Hb Hb en en avesavesGanso AndinoGanso Andino

GallaretaGallareta

Comparación Comparación entre entre loslos P50 P50 de de gansos gansos y y gallinas gallinas en en altura altura

y a y a nivel del marnivel del mar

Petschow et al, J. Appl. Physiol. 42(2), 139-143, 1977León-Velarde et al, C.R. Acad sci. Paris, 313, série III, p. 401-406

P50(Torr)

Hb(g/l)

! Ganso del HimalayaAnser Indicus

29,7 17,3

!Ganso EuropeoAnser Anser

39,5 17,0

!Ganso del CanadaBranta canadesis

42,0 18,1

#Gallina de PunoGallus gallus

31,4 15,0

#Gallina de nivel del marGallus gallus

51,1 10,2

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 Comparación entre la entre la secuencia secuencia de de aaaa de la de la HbHb de de gansos gansos y de y de gallinas gallinas de de altura altura y de NMy de NM

Posición α34 α119 ß69 ß125 α119 ß55Ganso del Canada Val Pro Thr Asp Pro LeuGanso Europeo Thr Pro Thr Glu Pro LeuGanso del Himalaya Ala Ala - Asp Pro LeuGanso Andino Ile Pro Thr Asp Pro Ser

αA αD

Gallina de Puno Thr Pro Ser GluGallina de nivel del mar Thr Pro Thr Glu

$$

%%

%%

&&

OberthÜrOberthÜr et et al ., al ., J. J. PhysiolPhysiol. Chem. Chem. . ((HoppeHoppe--SeylerSeyler), 363 : 777), 363 : 777--787, 1982787, 1982HieblHiebl et al., Biol. Chem.,et al., Biol. Chem., ((HoppeHoppe--SeylerSeyler), 367 : 591), 367 : 591--599, 1986599, 1986León-Velarde et al, 1995

Diferencia en la interacción con el fosfato, y alta afinidad de la Hb por el O2.

0

10

20

30

40

50

60

2m a NM Hb lavada Hb + IHP

G. NM G. Andina

P50 (Torr)

Afinidad de la Hb por el O2. Efecto de la TemperaturaANFIBIOS

0 50 100 0 50 100

50

100Sat O2 (%)

PO2 mm Hg

F

T

FT L

F, T y L a 20 oC ypH = 7.84

F = 10 oC, pH= 7.99T = 15 oC, pH= 7.92L = 20 oC, pH= 7.84

L

Adaptación en el T. peruvianus

-Las 3 isoformas tienenpropiedades funcionalesparecidas.-Mayor afinidad de unode los componentes,por insensibilidad al Cl-

-Cambios en lascadenas α en sitio de unión al Cl-

Weber, et al., Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 283: R1052, 2002.

AdaptaciónAdaptación circulatoriacirculatoria a la a la hipoxiahipoxia

- Disminución del flujo sanguíneo en la mayoría de órganos, a excepción del corazón y glándulasadrenales (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 268(26) 216(41)PAM, mm Hg 159(11) 161(5)PaO2, Torr 28.5(0.6) 27.7(0.7)PaCO2, Torr 6.4(0.3) 7.5(0.7)CaO2, vol% 4.1(0.3) 10.4(0.4)pH, arterial 7.54(0.05) 7.7(0.03)Hct, % 38.5(1.2) 41.9(1.3)

P.Pekín G.Himalaya

Faraci et al., Am. J. Physiol. 247 (RegulatoryIntegrative Comp. Physiol. 16): R69, 1984.

El El gansoganso deldel Himalaya (Himalaya (Anser Anser indicusindicus))((EjemploEjemplo de de adaptaciónadaptación))

• Economiza energía, pues no aumenta el flujosanguíneo 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

AdaptaciónAdaptación miocárdicamiocárdica a la a la hipoxiahipoxia

• Aumenta la actividad adrenérgica• catecolaminas en plasma y orina: aumentadas• actividad de las fibras nerviosas adrenérgicas: aumentada

• Disminuye la respuesta cardiaca a la estimulaciónadrenérgica endógena o exógena

• endógena, ejercicio: Fc max disminuye• exógena, perfusión de isoprenalina: respuesta Fc disminuída

• Aumenta la respuesta a la estimulación parasimpática

AdaptaciónAdaptación circulatoriacirculatoria pulmonarpulmonar a la a la hipoxiahipoxia

• 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 vasoconstricciónpulmonar 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++ delretículo 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.

Κ+

GsGiCalmodulina Ca++

ActivaciónMLCK

Miosin-ATPasa

Ca++

Canal de K+ Canal de Ca++

+

-+-

+

membranadel

miocito

citosolcontracción

MiosinaActiva

XHipoxia

RSCa++

Vasoconstricción pulmonar hipóxica

Muscularización de la vasculaturapulmonar.

Heath and Williams, 1995

PA = arteriasPa = arteriolasPv = venas

Patrón:- Muscularisaciónde la media- Capas elásticas de lamedia bien diferenciadas.

AdaptaciónAdaptación de la de la circulación pulmonarcirculación pulmonar a la a la hipoxiahipoxia

- 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+.

ElEl yak (yak (Poephagus grunniensPoephagus grunniens))

• Ausencia de hipertensión arterial pulmonarCaracter autosómico dominante

Animal cruce Pap Res. Pulm.Vaca 27 1,92Yak 20 0,58Dzo Vaca x yak 21 0,79Stol Dzomo x toro 25 1,46Gar Dzomo x yak 25 2,53

Anand et al., Thorax, 1986

Pika (Pika (Ochona curzoniaeOchona curzoniae))

• Roedor de las alturas tibetanas y del altiplano de Qinghai (37 millones de años)

• Presenta características adaptativas a la altura:

Pap VD/VI+S Hb

• Pika +5 mmHg O,22 =

• Rata +19 mmHg O,45 ++

Ge et al., Am J Physiol, 1998

Pika Pika vsvs RataRataSakai et al, 1988Sakai et al, 1988

00 20002000 40004000

0,20,2

0,30,3

0,40,4RVWRVWLVWLVW

HtHt (%)(%)

5050

4040

00 20002000 40004000 00 20002000 40004000

1010

2020

PAPPAP(mm Hg)(mm Hg)

A l t u r a ( m )A l t u r a ( m )

RataRata PikaPikamedia ± ESmedia ± ES

Adaptación del Adaptación del transporte y de la transporte y de la utilización del utilización del OO2 2 tisulartisular

• 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

AdaptaciónAdaptación embrionariaembrionaria

• Mamíferos– Modificaciones placentarias:

• distancia intercapilar disminuída

– Aumento del flujo uterino

• Aves:– Modificación de la permeabilidad de la cáscara del

huevo

En En resumenresumen

• Las estrategias son variadas

• Las más importantes son:– Afinidad de la Hb-O2: aumentada

– Eritremia: ausente o muy leve

– Vasoconstricción pulmonar hipóxica: ausente