Exercicis: Les estructures de la nutrició

Enumera els quatre processos de la nutrició animal i explica en una frase la funció de cadascun, indicant què passaria a una cèl·lula si fallés qualsevol d'ells.

Ordena el recorregut d'un mos d'aliment pel tub digestiu humà, des de la boca fins a l'anus, anomenant tots els òrgans que travessa.

Diferencia digestió mecànica i digestió química, i posa un exemple de cadascuna a la boca i un altre a l'estómac.

Anomena les glàndules annexes de l'aparell digestiu humà (glàndules salivals, fetge i pàncrees) i indica quina substància aboca cadascuna al tub digestiu i per a què serveix.

Explica les dues funcions de l'estómac (mecànica i química) i raona per què el seu suc àcid no digereix la pròpia paret de l'estómac (capa de mucus, renovació cel·lular).

Indica en quin tram del tub digestiu s'absorbeix la majoria dels nutrients i descriu les adaptacions que multipliquen la seva superfície (longitud, plecs, vellositats i microvellositats).

Diferencia ventilació pulmonar, intercanvi de gasos (respiració externa i interna) i respiració cel·lular, indicant on passa cada procés i quin paper juga la sang entre ells.

Explica la funció del ronyó en la formació de l'orina i quines substàncies elimina, i diferencia excreció (urea, sals, aigua) d'egestió (fems), raonant per què els fems no són producte del metabolisme cel·lular.

Compara la respiració branquial, traqueal i pulmonar: en quin grup d'animals apareix cadascuna, quina superfície d'intercanvi utilitza i a quin medi (aquàtic o terrestre) està adaptada.

Explica la diferència entre un sistema circulatori obert i un de tancat, i entre una circulació simple i una de doble, citant un grup animal representatiu de cada cas i un avantatge de la circulació doble.

Observa la imatge de l'aparell digestiu humà. a) Descriu què li passa a l'aliment a les estructures 1, 4 i 8. b) Indica quines estructures numerades són glàndules annexes, és a dir, les que no formen part del tub digestiu, i què aboca cadascuna al tub. c) Ordena segons el recorregut del bol les estructures 1, 3, 4, 8, 9 i 11.

Descriu el recorregut de l'aire des del nas fins als alvèols (faringe, laringe, tràquea, bronquis, bronquíols) i explica quines adaptacions fan de l'alvèol un lloc ideal per a l'intercanvi gasós (paret primíssima, xarxa capil·lar, humitat, superfície total).

L'aire inspirat conté un $21\ \%$ de $\text{O}_2$ i un $0{,}04\ \%$ de $\text{CO}_2$; l'espirat, un $16\ \%$ de $\text{O}_2$ i un $4\ \%$ de $\text{CO}_2$. Interpreta aquestes xifres: què demostren sobre l'eficiència de l'intercanvi, per què no s'extreu tot l'oxigen i per què la ventilació boca a boca pot oxigenar una altra persona.

Descriu el recorregut de la sang pels circuits menor i major partint del ventricle dret, anomenant les cavitats cardíaques, les vàlvules i els grans vasos que travessa, i explica quin canvi pateix la sang als pulmons i als teixits.

Compara l'estructura d'artèries, venes i capil·lars (gruix i composició de la paret, diàmetre, presència de vàlvules) i relaciona-la amb la seva funció i amb la pressió de la sang que transporten.

El fetge és la «central metabòlica» del cos: descriu tres de les seves funcions (emmagatzematge de glucogen, fabricació d'urea, producció de bilis, desintoxicació) i raona per què la seva fallada afecta alhora la digestió, l'excreció i la composició de la sang.

Un equip de paleontologia analitza les restes de dos mamífers extints de mida similar (~50 kg). L'espècie A posseeix molars desgastats amb crestes d'esmalt pronunciades (lofodonts) i un volum de la cavitat abdominal que suggereix un aparell digestiu de gran capacitat; l'espècie B presenta molars amb cúspides afilades tallants (secodonts) i una cavitat abdominal notablement reduïda.

1. a) Prediu i justifica de manera comparativa la longitud relativa del tub digestiu i el temps de retenció de l'aliment en totes dues espècies a partir de les limitacions químiques per degradar la cel·lulosa enfront de les proteïnes.
2. b) Si a un animal viu amb una anatomia digestiva anàloga a l'espècie A se li administra un tractament prolongat amb antibiòtics d'ampli espectre, pateix una pèrdua dràstica de massa corporal malgrat continuar consumint farratge abundant. Justifica aquest fenomen a escala bioquímica i fisiològica.
3. c) Per què la selecció natural no ha afavorit un tub digestiu hipertrofiat i amb fermentació microbiana en carnívors estrictes si això els permetria extreure nutrients dels vegetals quan escassegen les preses?

Analitza els dos escenaris fisiològics següents sobre l'excreció del nitrogen:

• Cas 1: Els capgrossos dels amfibis són amoniotèlics obligats, però durant la metamorfosi a adults terrestres activen els gens dels enzims del cicle de l'ornitina i es tornen ureotèlics.

• Cas 2: L'embrió dels mamífers placentaris elimina urea a través de la placenta, mentre que l'embrió d'ocells i rèptils tanca els seus residus nitrogenats a l'interior de l'ou amb closca (cleidoic).

1. a) Justifica el canvi d'excreció en la metamorfosi de l'amfibi avaluant el compromís (trade-off) entre toxicitat cel·lular, disponibilitat hídrica del medi i cost energètic en molècules d'ATP.
2. b) Prediu les conseqüències fisiològiques i osmòtiques per al desenvolupament d'un embrió d'ocell si patís una mutació que li impedís sintetitzar àcid úric i excretés únicament urea dins de l'ou. Compara la seva viabilitat amb la de l'embrió de mamífer.
3. c) Un estudiant afirma: «L'àcid úric és la millor estratègia evolutiva per a qualsevol animal perquè permet estalviar aigua sense cap cost biològic». Rebat aquesta afirmació amb arguments termodinàmics i metabòlics.

Se subministra a un voluntari glucosa marcada amb un isòtop radioactiu ($^{14}\text{C}$) per via oral i se li fa inhalar aire enriquit amb oxigen pesant ($^{18}\text{O}$). Durant una sessió d'exercici muscular intens als braços, s'analitza el metabolisme dels seus teixits.

1. a) Traça cronològicament el camí de la glucosa radioactiva des de la llum de l'intestí prim fins al sarcoplasma d'una fibra muscular del bíceps, especificant els quatre aparells de la nutrició implicats, les membranes o barreres biològiques que creua i el tipus de transport que utilitza.
2. b) Un company afirma: «El $\text{CO}_2$ que expulsa l'esportista pels pulmons conté directament el $^{18}\text{O}$ inhalat, i el nitrogen del catabolisme de les proteïnes musculars es converteix en urea dins del mateix múscul abans de passar a la sang». Rebat ambdues afirmacions justificant el destí bioquímic del $^{18}\text{O}$ a la cadena respiratòria i el paper del cicle glucosa-alanina i del fetge en l'excreció nitrogenada.
3. c) Prediu quines alteracions homeostàtiques tindrien lloc en el pH i la composició sanguínia si es produís una fallada transitòria de la perfusió renal durant l'esforç, i quin mecanisme respiratori compensador s'activarà de manera immediata.

El 1984, Barry Marshall va desafiar el paradigma mèdic que «cap bacteri pot colonitzar l'estómac humà» ingerint un cultiu d'Helicobacter pylori.

1. a) En un laboratori s'inocula H. pylori en dos medis a $\text{pH} = 2,0$: Medi 1 (brou nutritiu habitual) i Medi 2 (brou nutritiu suplementat amb urea al 0,5 %). Els bacteris moren ràpidament al Medi 1, però proliferen al Medi 2 elevant localment el pH al voltant de les colònies i alliberant amoni ($\text{NH}_4^+$). Interpreta aquest experiment explicant el mecanisme adaptatiu del bacteri i el dany químic directe que ocasiona sobre la barrera mucosa de l'epiteli gàstric.
2. b) Un pacient amb úlcera gàstrica pren durant un mes inhibidors de la bomba de protons (antiàcids). La simptomatologia remet per complet, però al cap d'un mes de suspendre la medicació l'úlcera reapareix amb més gravetat. Justifica per què aquest tractament simptomàtic no és curatiu i per què es requereix teràpia combinada amb antibiòtics a escala tissular i poblacional bacteriana.
3. c) Avalua l'autoexperiment de Marshall aplicant els postulats de Koch: indica quins va arribar a satisfer en la seva pròpia persona i assenyala quines limitacions metodològiques i ètiques presenta aquest procediment respecte a un assaig clínic modern.

S'avalua la funció cardiorespiratòria de dues persones de 60 anys amb la mateixa massa corporal:

• Subjecte A (no fumador): Capacitat pulmonar total normal, volum espiratori forçat en el primer segon ($\text{FEV}_1$) de 3,4 L i hematòcrit del 44 %.

• Subjecte B (fumador de 25 cigarrets/dia durant 35 anys): Pulmons hiperinsuflats, $\text{FEV}_1$ d'1,1 L, capacitat de difusió alveolar de monòxid de carboni ($\text{DLCO}$) reduïda al 45 % del valor teòric i hematòcrit del 55 %.

1. a) Aplica la llei de Fick sobre la difusió de gasos a través de les membranes biològiques per justificar per què el trencament dels envans interalveolars (emfisema) i la pèrdua d'elasticitat pulmonar provoquen el col·lapse de la $\text{DLCO}$ i dispnea greu en realitzar un esforç moderat.
2. b) Justifica a escala fisiològica per què el Subjecte B presenta poliglobúlia (hematòcrit del 55 %), relacionant l'alteració en l'intercanvi de gasos amb la resposta endocrina renal.
3. c) Un producte comercial assegura «regenerar les parets alveolars i netejar l'elastina destruïda en fumadors en només tres mesos». Rebat aquesta afirmació amb arguments histològics sobre la capacitat mitòtica i de regeneració del parènquima alveolar.

Un pacient presenta en repòs xifres sostingudes de pressió arterial de $160/105\ \text{mm Hg}$. La seva analítica mostra una taxa de filtració glomerular disminuïda i microalbuminúria (fuga de proteïnes a l'orina), juntament amb hipertròfia concèntrica del ventricle esquerre en l'ecocardiograma.

1. a) Justifica què reflecteix biofísicament cada xifra ($160\ \text{mm Hg}$ sistòlica i $105\ \text{mm Hg}$ diastòlica) en funció de la descàrrega sistòlica cardíaca, l'elasticitat de les grans artèries i la resistència vascular perifèrica oferta per les arterioles.
2. b) Explica el cercle viciós que s'estableix entre la hipertensió arterial, el dany a la microvasculatura renal i l'activació desregulada del sistema renina-angiotensina-aldosterona, deduint com afecta això a la volèmia i a la pressió sanguínia.
3. c) Justifica per què el ventricle esquerre s'hipertrofia davant d'una hipertensió crònica mentre que el ventricle dret sol mantenir inicialment el seu gruix original, i prediu per què el dany vascular silent augmenta el risc d'ictus cerebral i trencament de capil·lars.

Un pacient amb malaltia renal crònica avançada va a hemodiàlisi. A la màquina, la seva sang circula en contracorrent separada per una membrana semipermeable d'un líquid de diàlisi formulat amb: concentració d'urea = $0\ \text{mmol/L}$, $\text{K}^+ = 2,0\ \text{mmol/L}$ (enfront dels $5,8\ \text{mmol/L}$ del plasma del pacient), glucosa = $5,5\ \text{mmol/L}$ i bicarbonat = $35\ \text{mmol/L}$.

1. a) Explica mitjançant gradients de concentració i processos de transport passiu per què el dialitzat ha de tenir exactament aquestes concentracions relatives de soluts, i prediu quina catàstrofe cel·lular ocorreria si el líquid de diàlisi se substituís accidentalment per aigua destil·lada pura.
2. b) Tot i que la diàlisi normalitza setmanalment les toxines nitrogenades i els electròlits, el pacient manifesta anèmia severa i calcificacions anòmales als vasos unides a descalcificació òssia (osteodistròfia). Justifica per què la diàlisi mecànica és incapaç de revertir aquests dos problemes, indicant quines funcions endocrines de la nefrona sana estan anul·lades.
3. c) Compara l'hemodiàlisi i el trasplantament renal avaluant els avantatges hemodinàmics i endocrins del ronyó empeltat enfront del compromís que suposen els fàrmacs immunosupressors per evitar el rebuig.

Durant una prova en cinta ergomètrica es monitoritzen els paràmetres cardiovasculars d'una atleta, observant els canvis següents entre l'estat de repòs i l'exercici extenuant:

• El cabal cardíac passa de $5,0\ \text{L/min}$ a $24,0\ \text{L/min}$.

• El percentatge del flux sanguini dirigit al múscul esquelètic puja del 20 % al 84 %.

• La irrigació del territori esplàcnic (estómac i intestins) cau del 24 % al 2,5 %.

• La concentració plasmàtica de lactat augmenta d'$1,1\ \text{mmol/L}$ a $12,5\ \text{mmol/L}$.

1. a) Explica mitjançant quins mecanismes de control autònom simpàtic i autoregulació metabòlica local per metabòlits tissulars s'aconsegueix coordinar simultàniament la vasoconstricció visceral i la vasodilatació al múscul actiu.
2. b) Si l'atleta hagués ingerit un àpat copiós ric en lípids i proteïnes una hora abans de la prova, prediu quin conflicte hemodinàmic de repartiment sanguini s'originaria i quines conseqüències tindria tant en el seu rendiment com a escala digestiva.
3. c) En finalitzar la cursa de manera brusca, la ventilació i el consum d'oxigen es mantenen molt per sobre dels valors basals durant més de 15 minuts (deute d'oxigen o EPOC). Justifica bioquímicament a quins processos metabòlics i cel·lulars al fetge i al múscul es destina aquest consum addicional d'$\text{O}_2$.

Repte del tema. Dissenya un informe comparatiu sobre la resposta fisiològica i estructural a l'esforç en el regne animal.

1. Obtenció de dades: Consulta al web d'AEMET la temperatura actual del teu municipi. A continuació, mesura la teva freqüència cardíaca ($f_c$) i la teva freqüència respiratòria ($f_r$) en repòs i just després de pujar escales a pas lleuger durant $1,5$ minuts.

2. Integració humana: Elabora una taula amb les teves dades i justifica com coordinen els teus aparells (digestiu, respiratori, circulatori i excretor) l'aportació de nutrients i $O_2$ als teixits, així com la termoregulació i l'eliminació de deixalles metabòliques durant l'exercici.

3. Fisiologia comparada: Tria un invertebrat (per exemple, un llagost) i redacta una proposta raonada explicant com les seves estructures de nutrició (tub digestiu, tràquees, sistema circulatori obert i tubs de Malpighi) resoldrien metabòlicament aquest mateix increment d'activitat a la temperatura ambiental registrada.

Producte final: Informe breu (màxim dues pàgines) amb taula de dades pròpies i anàlisi funcional comparativa.

Es valorarà:

• Precisió en la presa, tabulació i interpretació de les dades fisiològiques i meteorològiques.

• Rigor en explicar l'acció coordinada dels quatre sistemes de nutrició en humans davant l'esforç.

• Coherència científica en comparar les estructures homòlogues i anàlogues entre vertebrats i invertebrats.