Nutrición en Seres Vivos

Intercambio de Materia y Energía

La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales un organismo intercambia materia y energía con el medio que le rodea. Esta materia orgánica es necesaria no solo para las plantas, sino también para los organismos heterótrofos (animales, humanos) que necesitan consumir materia orgánica ya formada.

Tipos de Nutrición

• Autótrofos: Incorporan materia inorgánica procedente del medio. Obtienen energía mediante:
  • Fotosíntesis: Obtienen la energía de la luz solar (plantas, algas y cianobacterias).
  • Quimiosíntesis: Obtienen energía de reacciones químicas (bacterias nitrosificantes, nitrificantes y sulfobacterias). Intervienen en los ciclos de la materia, como las bacterias nitro y nitri que contribuyen a que los suelos se enriquezcan en nitratos que pueden usar como fuente de nitrógeno.
• Heterótrofos: Usan como fuente de materia los compuestos orgánicos elaborados por otros organismos. Obtienen la energía de la degradación de estos compuestos.

Procesos Implicados en la Nutrición

• Incorporación de la materia: Los animales incorporan la materia orgánica en forma de alimentos que aportan los nutrientes. Las plantas incorporan materia inorgánica que pasa directamente a sus células.
• Digestión del alimento: En los animales, consiste en la degradación de las grandes moléculas orgánicas para ser transformadas en otras más pequeñas.
• Intercambio de gases: Intercambio de O₂ y CO₂ necesarios para el metabolismo celular a través de las estructuras respiratorias.
• Transporte: Distribución de los nutrientes por todo el organismo. En organismos pluricelulares, exige la necesidad de un sistema de transporte.
• Metabolismo: En las células, los nutrientes son transformados químicamente para liberar la energía química que contienen y transformarse en sustancias aprovechables para las células.
• Excreción: Las sustancias de desecho producidas durante el metabolismo celular son eliminadas al exterior.

Incorporación de Nutrientes en los Vegetales

Organización Talofítica (Algas) y Cormofítica

Las algas tienen una organización talofítica simple. Las plantas con organización cormofítica (helechos, angiospermas, plantas con y sin flores) presentan estructuras especializadas adaptadas para la absorción y el transporte.

Estructura de un Vegetal con Organización Cormofítica

• Hojas: Donde los compuestos inorgánicos se transforman en compuestos orgánicos (fotosíntesis).
• Tallos: Estructuras por las que circulan el agua y las sales minerales disueltas.
• Raíces: A través de ellas se absorbe el agua y las sales minerales. El xilema y el floema transportan las sustancias para la nutrición (sistema vascular).

Incorporación del Agua y de las Sales Minerales

El agua y las sales minerales disueltas forman una capa que rodea las partículas del suelo, incorporándose a través de los pelos radicales que incrementan la superficie de absorción.

• Agua: Penetra en la raíz por ósmosis, ya que hay mayor concentración de solutos en el interior de la raíz que en el exterior.
• Sales minerales: Penetran en el interior de la raíz por un sistema de transporte activo que se efectúa por medio de proteínas transportadoras localizadas en la membrana (Ca, K, N y P).

El Papel de la Raíz en la Nutrición Vegetal

• Epidermis: Capa que cubre la superficie de las raíces jóvenes. Absorbe el agua y las sales minerales.
• Córtex: Cilindro cortical formado por:
  • Parénquima cortical: Contiene células parenquimáticas con muchos espacios intercelulares.
  • Endodermis: Capa más interna del parénquima cortical, formada por un único estrato de células sin espacios intercelulares entre ellas. Sus células presentan un engrosamiento de suberina (impermeable al agua) en sus paredes radial y transversal, llamada banda de Caspari, que condiciona el paso del agua y de las sales minerales. Para atravesar las células endodérmicas, deben hacerlo a través de la membrana plasmática.
• Periciclo: Se encuentra por dentro de la endodermis. Es una capa única de células que da origen a las raíces laterales.
• Cilindro vascular: Formado por floema (vasos liberianos) y xilema (vasos leñosos). La raíz, además de absorber agua y sales minerales, también fija firmemente la planta al suelo y almacena sustancias de reserva.

Vías de Entrada de los Nutrientes en la Raíz

• Vía A o vía simplástica: Una parte del agua y la mayoría de las sales minerales circulan por el interior de la raíz hasta los vasos leñosos a través del citoplasma de las células que forman el parénquima cortical. Pasan a través de las membranas plasmáticas y los plasmodesmos.
• Vía B o vía apoplástica: La mayor parte del agua y una parte de las sales minerales circulan por el interior de la raíz a través de las paredes celulares y de los espacios intercelulares hasta llegar a la endodermis. El agua atraviesa la membrana y el citoplasma de las células de la banda de Caspari por ósmosis, mientras que las sales lo hacen por transporte activo.

El Transporte de la Savia Bruta

La savia bruta (agua, sales minerales y materia orgánica) debe ascender por el tallo de la planta hasta llegar a las hojas. Se realiza por el xilema, que tiene vasos leñosos de diámetro entre 20 y 70 μm (1 mm = 1000 μm).

Mecanismo de Tensión-Adhesión-Cohesión

Varios fenómenos físicos intervienen en el ascenso de la savia bruta, en conjunto llamados mecanismo de tensión-adhesión-cohesión:

• Presión radicular: Las células de la raíz tienen una concentración de solutos mayor que la del agua del suelo, y esta penetra al interior de la raíz por ósmosis. La continua entrada de agua produce una presión radicular que es suficiente para que la savia bruta ascienda por el tallo de plantas de escasa altura.
• Transpiración: Consiste en la pérdida de agua por evaporación, generando tensión en la columna de agua.
• Tensión-cohesión: La tensión generada por la transpiración, junto con la cohesión entre las moléculas de agua, permite que la columna de agua ascienda. También interviene la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los vasos leñosos y la capilaridad.

Intercambio de Gases

• Estomas: Vía más importante de entrada de gases. Gran parte del O₂ y del CO₂ entra en la planta a través de ellos.
• Pelos radicales: Sirven de vía de entrada a los gases que están disueltos en el agua.
• Lenticelas: Aberturas que se encuentran en las paredes de los tallos leñosos. Son otra vía de entrada de gases.

Mecanismo de Apertura y Cierre de los Estomas

• Células oclusivas: Células en forma de riñón que rodean el ostíolo (abertura del estoma).
• Concentración de iones potasio (K⁺):
  • Entrada de iones K⁺ desde las células adyacentes hacia el interior de las células oclusivas provoca un aumento de la concentración salina en su interior. Esta diferencia da lugar a la entrada de agua por ósmosis, provocando la abertura de los estomas.
  • Salida de iones K⁺ desde las células oclusivas hacia las epidérmicas adyacentes provoca la disminución de la concentración salina en las oclusivas, que se vuelven hipotónicas con respecto a las adyacentes. El agua sale por ósmosis, provocando el cierre de los estomas.
• Luz: En general, los estomas se abren durante el día y se cierran por la noche.
• Aumento o disminución en la concentración de CO₂: En presencia de luz, la planta, además de respirar, realiza la fotosíntesis y consume más CO₂ del que produce, disminuyendo su concentración interna, lo que provoca la apertura de los estomas. En ausencia de luz, la planta solo respira, aumentando la concentración de CO₂ y provocando el cierre de los estomas.

Importancia de la Fotosíntesis

• Se transforma la materia inorgánica en materia orgánica, a partir de una fuente de carbono (CO₂).
• Se transforma la energía luminosa en energía química.

Transporte de los Productos de la Fotosíntesis (Hipótesis de Flujo por Presión)

La fuente (hojas) es una zona de elevada presión osmótica por la alta concentración de azúcares. El sumidero (raíces, frutos) es una zona de baja presión osmótica por su menor concentración de azúcares.

Proceso de Flujo de la Savia Elaborada

El aumento de azúcares en las células del vaso criboso (floema) produce un incremento de la concentración, y el agua entra por ósmosis. La entrada de agua incrementa la presión hidrostática en el interior del vaso criboso, haciendo que la savia elaborada se desplace hacia los sumideros. Cuando llega a los sumideros, los solutos salen de los vasos cribosos por transporte activo. Al perderse azúcares, el agua sale de los vasos cribosos por ósmosis y entra en las células que se hallan alrededor (células acompañantes y vasos leñosos).

La Nutrición en los Animales

Alimentación vs. Nutrición

La alimentación es la obtención de alimentos por los organismos. La nutrición es un conjunto de procesos fisicoquímicos por los que un organismo transforma e incorpora a sus propias células las sustancias que se encuentran formando parte de esos alimentos. Para que los alimentos sean útiles en la nutrición, es imprescindible que sean transformados en nutrientes. En este proceso intervienen diferentes órganos y sistemas, como el aparato digestivo (digestión y absorción) y el aparato circulatorio (transporte de nutrientes).

El Proceso Digestivo

Etapas

• Ingestión: Corresponde a la entrada de los alimentos en el organismo.
• Digestión: Transforma los alimentos en moléculas más sencillas.
• Absorción: Paso de los nutrientes desde el aparato digestivo a la sangre.
• Egestión: Eliminación de todos los residuos de los alimentos que no han podido ser digeridos.

Aparatos Implicados en la Nutrición

En la mayoría de los animales, las células se encuentran muy alejadas de los lugares en donde se absorben los nutrientes, se incorpora el O₂ para el metabolismo y se eliminan los desechos metabólicos. Por eso, además del aparato digestivo, intervienen el aparato circulatorio (distribuye los nutrientes), el aparato respiratorio (incorpora el O₂ necesario para metabolizar los nutrientes) y el aparato excretor (elimina los desechos del metabolismo celular).

Relación entre los Aparatos Implicados en la Nutrición

El aparato digestivo transforma los alimentos en nutrientes. Las células pueden usar los nutrientes para la elaboración de moléculas más complejas (anabolismo) o ser degradados para obtener la energía que contienen (catabolismo). El CO₂ y los desechos generados por el metabolismo son devueltos al aparato circulatorio para su eliminación.

Modelos de Aparatos Digestivos

• Cavidad gastrovascular: Comunicada con el exterior a través de una única abertura (cnidarios o celentéreos y algunos platelmintos). Los cnidarios son carnívoros y alrededor de la abertura tienen una corona de tentáculos que les ayuda a capturar el alimento. La digestión se realiza en la cavidad gastrovascular.
• Tubo digestivo: Tubo en el que se diferencian la boca, faringe, esófago, estómago e intestino.
  • Anélidos: La lombriz de tierra, además de los órganos comunes, tiene buche (almacena el alimento) y molleja (tritura el alimento).
  • Moluscos: Junto al estómago se encuentra el hepatopáncreas, glándula voluminosa encargada de la secreción al intestino de las enzimas digestivas.
  • Artrópodos: Los insectos tienen en la boca glándulas salivales secretoras de saliva que ejerce una acción enzimática sobre los alimentos.
  • Vertebrados: Tubo digestivo y glándulas anejas. Sus paredes son musculosas, lo que favorece el tránsito de los alimentos. Se diferencian regiones especializadas. Su longitud es grande. Hay presencia de glándulas en las paredes del estómago y del intestino que segregan jugos digestivos con enzimas. Las glándulas anejas (salivales, páncreas e hígado), fuera del tubo digestivo, producen diversos jugos que vierten al interior del tubo digestivo para realizar la digestión. Los carnívoros tienen un tubo digestivo más corto que los herbívoros.

Ingestión del Alimento

Ingestión Pasiva

• Estructuras ciliadas: Las esponjas poseen células especializadas, los coanocitos, con cilios que crean corrientes de agua para capturar alimento. Algunos moluscos bivalvos tienen toda la superficie externa de las branquias recubierta de cilios para filtrar el alimento.
• Filtros: Un gran número de animales acuáticos se alimentan de microorganismos o de pequeñas partículas orgánicas. Poseen filtros por los cuales hacen circular el agua para retener el alimento.

Ingestión Activa

• Rádula: Formada por numerosos y pequeños dientes muy agudos que el animal mueve a modo de lija sobre los vegetales que come, arrancando pequeños trozos (moluscos).
• Tentáculos: Para sujetar a las presas. Los moluscos cefalópodos tienen ventosas en los tentáculos. Los cnidarios tienen células urticantes (cnidoblastos) que inyectan a sus presas un líquido paralizante.
• Apéndices bucales de los artrópodos: Estructuras con morfologías diferentes adaptadas al tipo de alimentación del animal.
• Dientes de los vertebrados: Adaptados al tipo de alimentación (carnívoros, herbívoros, omnívoros). Algunos vertebrados tienen pico córneo en lugar de dientes.

Tipos de Digestión

Digestión Intracelular

Las partículas alimenticias quedan englobadas por una vesícula en el interior de la célula. Los lisosomas vierten enzimas hidrolíticas al interior de esta vesícula, formando así una vacuola digestiva. Los productos de desecho son expulsados al exterior por medio de una vacuola fecal.

Proceso Digestivo en Vertebrados

Digestión en la Boca

• Masticación: Los dientes están adaptados al tipo de alimentación. En los carnívoros, los caninos están más desarrollados; en los herbívoros, los molares e incisivos; en los omnívoros, todos los dientes tienen un grado de desarrollo parecido.
• Insalivación: La saliva contiene amilasa salival, que transforma el almidón en maltosa. Se forma el bolo alimenticio.
• Deglución: El bolo es empujado por la lengua hacia la faringe y luego al esófago.

Digestión Gástrica

En el estómago, el bolo alimenticio se mezcla con el jugo gástrico:

• Ácido clorhídrico: Desnaturaliza las proteínas y activa la pepsina.
• Pepsina: Enzima que degrada las proteínas en péptidos más pequeños.
• Mucina: Protege la pared del estómago de la acción del ácido clorhídrico y de la pepsina.

El bolo alimenticio se transforma en quimo, que pasa al intestino delgado a través del píloro.

Digestión Intestinal

• Intestino delgado: Dividido en tres regiones: duodeno, yeyuno e íleon. Recibe las secreciones del páncreas (jugo pancreático) y del hígado (bilis). Se completa la digestión de los nutrientes y se produce la absorción.
• Intestino grueso: Dividido en ciego, colon ascendente, colon transverso, colon descendente, colon sigmoides, recto y ano. Se absorbe agua y sales minerales. El intestino grueso contiene poblaciones de bacterias Escherichia coli que forman parte de la flora intestinal.

Transporte de Nutrientes

Líquido de Transporte

Formado por agua, sales minerales, proteínas, células, nutrientes y productos de excreción.

• Hidrolinfa: Líquido de transporte en equinodermos.
• Hemolinfa: Es el líquido de transporte de muchos invertebrados. En moluscos y crustáceos contiene un pigmento respiratorio, la hemocianina, que transporta el O₂.
• Sangre: En vertebrados y anélidos. Mezcla formada por plasma sanguíneo y por tres tipos de células: eritrocitos, leucocitos y plaquetas.
• Linfa: En vertebrados que tienen un sistema circulatorio linfático conectado con el sanguíneo. No tiene eritrocitos ni plaquetas y transporta una mayor cantidad de lípidos y de leucocitos.

Vasos Sanguíneos

• Arterias: Son los vasos por los que sale la sangre del corazón.
• Venas: Son los vasos por los que la sangre entra al corazón.
• Capilares: Vasos de pequeño diámetro donde se produce el intercambio de gases, nutrientes y desechos entre la sangre y los tejidos.

Corazón

• Tubulares: Corazón con forma de tubo que impulsa la sangre mediante contracciones peristálticas (artrópodos).
• Accesorios: Corazones que ayudan a impulsar la sangre en ciertas partes del cuerpo (moluscos).
• Tabicados: Corazón dividido en cámaras (aurículas y ventrículos) que impiden la mezcla de sangre oxigenada y desoxigenada (vertebrados).

Modelos de Aparatos Circulatorios

• Abierto: Se caracteriza porque los vasos no forman un circuito cerrado, sino que se abren a las cavidades corporales. El líquido de transporte sale para bañar directamente las células. La presión es muy baja y el flujo sanguíneo lento (artrópodos y moluscos).
• Cerrado: Los animales de gran tamaño requieren aparatos circulatorios que transporten hasta las células nutrientes y O₂, y retiren los desechos a una velocidad adecuada. El líquido de transporte circula siempre por el interior de un sistema de vasos cerrados, sin salir de ellos (con la excepción del plasma sanguíneo). La sangre no baña directamente los tejidos. La presión es más alta y el flujo sanguíneo más rápido (vertebrados y anélidos).

Aparato Circulatorio de Invertebrados

• Moluscos: Aparato circulatorio abierto con un corazón tabicado que se encuentra dentro de una cavidad denominada pericárdica. Para mejorar la circulación a través de las branquias, cuentan con corazones accesorios llamados branquiales.
• Artrópodos: Tienen un aparato circulatorio abierto con un corazón tubular que presenta unos pequeños orificios u ostiolos. El corazón se contrae y bombea la hemolinfa hacia las arterias. De estas pasa a los espacios tisulares (hemocele) que bañan las células.
• Anélidos: Poseen un aparato circulatorio cerrado formado por dos vasos longitudinales (uno en posición dorsal y otro en posición ventral) unidos por varios vasos transversales. La sangre circula por el vaso dorsal de atrás hacia delante. El movimiento de la sangre es posible ya que algunos vasos transversales, con ensanchamientos contráctiles, han desarrollado la capacidad para contraerse.

Aparatos Circulatorios de Vertebrados

• Circulación simple: Propia de los peces. El corazón está formado por dos cámaras: una aurícula y un ventrículo, y un seno venoso. La contracción del ventrículo hace que la sangre salga de él por la aorta ventral, que la lleva a las branquias para su oxigenación. Luego, la sangre oxigenada se distribuye por el cuerpo y regresa al corazón por el seno venoso.
• Circulación doble: Se da entre los vertebrados que respiran por pulmones: anfibios, reptiles, aves y mamíferos. La sangre pasa dos veces por el corazón siguiendo dos circuitos:
  • Circulación menor o pulmonar: La sangre sale del ventrículo por las arterias pulmonares, va a los pulmones donde, una vez oxigenada, es devuelta a la aurícula izquierda por las venas pulmonares.
  • Circulación mayor o sistémica: La sangre oxigenada sale del ventrículo por la arteria aorta y se distribuye por el organismo a todas las células, donde cede el O₂ que lleva y capta dióxido de carbono. Regresa al corazón y entra en él por la aurícula derecha por las venas cavas.

Tipos de Circulación Doble

• Circulación doble incompleta: Se da en animales como anfibios y muchos reptiles. El corazón tiene dos aurículas y un ventrículo. La sangre oxigenada y la sangre sin oxigenar se mezclan en el ventrículo. El corazón de la mayoría de los reptiles presenta un tabique intraventricular incompleto que reduce la mezcla de sangre.
• Circulación doble completa: Aves, mamíferos y algunos reptiles (cocodrilos). El corazón tiene dos aurículas y dos ventrículos. Por la mitad izquierda del corazón circula sangre oxigenada, mientras que por la mitad derecha circula sangre sin oxigenar, y no se mezclan.

Funcionamiento del Corazón en Mamíferos

El corazón realiza movimientos coordinados de contracción (sístole) y de dilatación (diástole). Estos movimientos son simultáneos: las aurículas se contraen al mismo tiempo que se dilatan los ventrículos, y cuando estos se contraen, las aurículas se dilatan.

La sangre procedente de los pulmones entra al corazón por la aurícula izquierda, pasa al ventrículo izquierdo y de ahí, por la arteria aorta, se distribuye a todo el organismo por el circuito circulatorio mayor o sistémico. Vuelve por las venas cavas superior e inferior, que desembocan en la aurícula derecha. Pasa al ventrículo derecho y de este a los pulmones por la arteria pulmonar. Vuelve por las venas pulmonares que desembocan en la aurícula izquierda.

Para impedir que la sangre retroceda, el corazón tiene cuatro válvulas que solo pueden abrirse en una dirección. La válvula mitral se encuentra entre la aurícula izquierda y el ventrículo izquierdo. La tricúspide, entre la aurícula derecha y el ventrículo derecho. La aórtica, entre el ventrículo izquierdo y la arteria aorta. Y la pulmonar, entre el ventrículo derecho y la arteria pulmonar.

Las aurículas son pequeñas y tienen paredes finas, mientras que los ventrículos son más grandes y tienen paredes gruesas, especialmente el ventrículo izquierdo, que debe impulsar la sangre a todo el cuerpo.

El Ciclo Cardíaco

• Diástoles auricular y ventricular: Los músculos del corazón se encuentran relajados y las válvulas aórtica y pulmonar cerradas impiden que la sangre vuelva al corazón. La sangre entra en las aurículas desde las venas.
• Sístole auricular y diástole ventricular: Las aurículas se contraen y la sangre es impulsada hacia los ventrículos, que en ese momento se encuentran en diástole (relajados y vacíos).
• Sístole ventricular y diástole auricular: Los ventrículos se contraen e impulsan la sangre por las arterias aorta y pulmonar. Las válvulas que separan las aurículas de los ventrículos (mitral y tricúspide) se cierran, impidiendo con ello que la sangre retroceda a las aurículas. Las válvulas aórtica y pulmonar se abren.

Origen y Propagación del Latido Cardíaco

El latido del corazón se inicia en un grupo de células musculares especializadas de la aurícula derecha, el nódulo senoauricular o marcapasos, que tienen capacidad para contraerse por sí mismas rítmicamente. El impulso se propaga rápidamente por las paredes de las aurículas, provocando su contracción. Estos impulsos llegan al nódulo auriculoventricular, grupo de células especializadas situadas en la pared entre la aurícula y el ventrículo derecho, donde el latido se retiene 0,1 s antes de transmitirse (para dar tiempo a que las aurículas se vacíen) por unas fibras musculares especiales llamadas fascículo de Hiss, hacia las paredes de los ventrículos, que se contraen simultáneamente.