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Respirometría

Respirometría es un término general que abarca una serie de técnicas para obtener estimaciones de las tasas de metabolismo de vertebrados , invertebrados , plantas , tejidos, células o microorganismos mediante una medida indirecta de la producción de calor ( calorimetría ).

Tasas metabólicas de todo el animal

El metabolismo de un animal se estima determinando las tasas de producción de dióxido de carbono (VCO 2 ) y consumo de oxígeno (VO 2 ) de animales individuales, ya sea en un sistema de respirometría de circuito cerrado o abierto. Normalmente se obtienen dos medidas: tasa metabólica estándar (SMR) o basal (BMR) y tasa máxima ( VO2max ). La SMR se mide mientras el animal está en reposo (pero no dormido) en condiciones específicas de laboratorio (temperatura, hidratación) y del sujeto (p. ej., tamaño o alometría [1] ), edad, estado reproductivo y postabsorción para evitar el efecto térmico. de comida ). [2] El VO 2 máximo generalmente se determina durante el ejercicio aeróbico en o cerca de los límites fisiológicos. [3] Por el contrario, la tasa metabólica de campo (FMR) se refiere a la tasa metabólica de un animal activo y sin restricciones en la naturaleza. [4] Las tasas metabólicas de todo el animal se refieren a estas medidas sin corrección por masa corporal. Si los valores de SMR o BMR se dividen por el valor de masa corporal del animal, entonces la tasa se denomina específica de masa. Es este valor específico de masa el que normalmente se escucha en las comparaciones entre especies. [5]

Respirometría cerrada

La respirometría depende del principio de "lo que entra debe salir". [6] Consideremos primero un sistema cerrado. Imaginemos que colocamos un ratón en un recipiente hermético. El aire sellado en el recipiente contiene inicialmente la misma composición y proporciones de gases que estaban presentes en la habitación: 20,95% O 2 , 0,04% CO 2 , vapor de agua (la cantidad exacta depende de la temperatura del aire, ver punto de rocío ), 78% (aproximadamente) N 2 , 0,93 % de argón y una variedad de gases traza que componen el resto (ver Atmósfera terrestre ). A medida que pasa el tiempo, el ratón en la cámara produce CO 2 y vapor de agua, pero extrae O 2 del aire en proporción a sus demandas metabólicas. Por lo tanto, siempre que conozcamos el volumen del sistema, la diferencia entre las concentraciones de O 2 y CO 2 al inicio cuando sellamos el ratón en la cámara (las condiciones iniciales o de referencia) en comparación con las cantidades presentes después del ratón. ha respirado el aire en un momento posterior deben ser las cantidades de CO 2 /O 2 producidas/consumidas por el ratón . El nitrógeno y el argón son gases inertes y, por tanto, sus cantidades fraccionarias no se modifican con la respiración del ratón. En un sistema cerrado, el ambiente eventualmente se volverá hipóxico .

Respirometría abierta

Para un sistema abierto, las limitaciones de diseño incluyen las características de lavado de la cámara de animales y la sensibilidad de los analizadores de gases. [7] [8] Sin embargo, el principio básico sigue siendo el mismo: lo que entra debe salir. La distinción principal entre un sistema abierto y cerrado es que el sistema abierto hace fluir aire a través de la cámara (es decir, el aire es empujado o jalado por una bomba) a una velocidad que repone constantemente el O 2 agotado por el animal mientras elimina el CO 2 y el agua. vapor producido por el animal. El caudal volumétrico debe ser lo suficientemente alto para garantizar que el animal nunca consuma todo el oxígeno presente en la cámara mientras que, al mismo tiempo, el caudal debe ser lo suficientemente bajo para que el animal consuma suficiente O2 para la detección. Para un ratón de 20 g , caudales de aproximadamente 200 ml/min a través de recipientes de 500 ml proporcionarían un buen equilibrio. Con este caudal, se llevan aproximadamente 40 ml de O 2 a la cámara y todo el volumen de aire de la cámara se intercambia en 5 minutos. Para otros animales más pequeños, los volúmenes de las cámaras pueden ser mucho más pequeños y los caudales también se ajustarían hacia abajo. Tenga en cuenta que para animales de sangre caliente o endotérmicos ( aves y mamíferos ), los tamaños de cámara o los caudales se seleccionarían para adaptarse a sus tasas metabólicas más altas.

Cálculos

Calcular las tasas de VO 2 y/o VCO 2 requiere conocimiento de las tasas de flujo que entran y salen de la cámara, además de las concentraciones fraccionarias de las mezclas de gases que entran y salen de la cámara del animal. En general, las tasas metabólicas se calculan a partir de condiciones de estado estacionario (es decir, se supone que la tasa metabólica del animal es constante [9] [10] ). Para conocer las tasas de oxígeno consumido, es necesario conocer la ubicación del medidor de flujo en relación con la cámara del animal (si se coloca antes de la cámara, el medidor de flujo está "aguas arriba", si se coloca después de la cámara, el medidor de flujo está "aguas abajo"). "), y si hay o no gases reactivos presentes (p. ej., CO 2 , agua , metano , ver gas inerte ).

Para un sistema abierto con medidor de flujo aguas arriba, agua (por ejemplo, sulfato de calcio anhidro ) y CO 2 eliminados antes del analizador de oxígeno , una ecuación adecuada es

Para un sistema abierto con medidor de flujo aguas abajo, agua y CO 2 eliminados antes del analizador de oxígeno , una ecuación adecuada es

dónde

Por ejemplo, los valores de TMB de un ratón de 20 g ( Mus musculus ) podrían ser FR = 200 ml/min, y las lecturas de la concentración fraccional de O 2 de un analizador de oxígeno son F en O 2 = 0,2095, F ex O 2 = 0,2072 . La tasa calculada de consumo de oxígeno es 0,58 ml/min o 35 ml/hora. Suponiendo una entalpía de combustión para el O 2 de 20,1  julios por mililitro, calcularíamos entonces la producción de calor (y por tanto el metabolismo) del ratón en 703,5 J/h.

Equipo de respirometría

Para un sistema de flujo abierto, la lista de equipos y piezas es larga en comparación con los componentes de un sistema cerrado, pero la principal ventaja del sistema abierto es que permite el registro continuo de la tasa metabólica. El riesgo de hipoxia también es mucho menor en un sistema abierto.

Bombas para flujo de aire.

Medidores de flujo y controladores de flujo

Tuberías y cámaras

Analizadores

Finalmente, un sistema informático de control y adquisición de datos sería una adición típica para completar el sistema. En lugar de un registrador gráfico , se realizan registros continuos del consumo de oxígeno o de la producción de dióxido de carbono con la ayuda de un convertidor analógico a digital acoplado a una computadora. El software captura, filtra, convierte y muestra la señal según sea apropiado para las necesidades del experimentador. Una variedad de empresas e individuos prestan servicios a la comunidad de respirometría (p. ej., Sable Systems , Qubit Systems, consulte también Warthog Systems).

Tasas metabólicas mitocondriales

Dentro del cuerpo el oxígeno llega a las células y dentro de las células a las mitocondrias , donde se consume en el proceso generando la mayor parte de la energía requerida por el organismo. La respirometría mitocondrial mide el consumo de oxígeno por parte de las mitocondrias sin involucrar a un animal vivo completo y es la principal herramienta para estudiar la función mitocondrial. [13] Tres tipos diferentes de muestras pueden ser sometidos a tales estudios respirométricos: mitocondrias aisladas (de cultivos celulares, animales o plantas); células permeabilizadas (de cultivos celulares); y fibras o tejidos permeabilizados (de animales). En los dos últimos casos, la membrana celular se vuelve permeable mediante la adición de sustancias químicas que dejan selectivamente intacta la membrana mitocondrial. Por lo tanto, las sustancias químicas que normalmente no podrían atravesar la membrana celular pueden influir directamente en las mitocondrias. Mediante la permeabilización de la membrana celular, la célula deja de existir como un organismo vivo y definido, dejando sólo las mitocondrias como estructuras aún funcionales. A diferencia de la respirometría de animales completos, la respirometría mitocondrial se realiza en solución, es decir, la muestra está suspendida en un medio. Hoy en día, la respirometría mitocondrial se realiza principalmente con un abordaje de cámara cerrada.

Sistema de cámara cerrada

La muestra suspendida en un medio adecuado se coloca en una cámara metabólica herméticamente cerrada. Las mitocondrias entran en "estados" definidos mediante la adición secuencial de sustratos o inhibidores. Dado que las mitocondrias consumen oxígeno, la concentración de oxígeno disminuye. Este cambio de concentración de oxígeno es registrado por un sensor de oxígeno en la cámara. A partir de la tasa de disminución de oxígeno (teniendo en cuenta la corrección por difusión de oxígeno) se puede calcular la frecuencia respiratoria de las mitocondrias. [13]

Aplicaciones

Investigación básica

El funcionamiento de las mitocondrias se estudia en el campo de la bioenergética . [14] Las diferencias funcionales entre mitocondrias de diferentes especies se estudian mediante respirometría como un aspecto de la fisiología comparada . [15] [16]

Investigación aplicada

La respirometría mitocondrial se utiliza para estudiar la funcionalidad mitocondrial en enfermedades mitocondriales o enfermedades con un (sospecha) fuerte vínculo con las mitocondrias, por ejemplo, diabetes mellitus tipo 2 , [17] [18], obesidad [19] y cáncer . [20] Otros campos de aplicación son, por ejemplo, las ciencias del deporte y la relación entre la función mitocondrial y el envejecimiento . [21]

Equipo

El equipo habitual incluye una cámara metabólica sellable, un sensor de oxígeno y dispositivos para el registro de datos, agitación, termostatización y una forma de introducir productos químicos en la cámara. Como se describió anteriormente para la respirometría de animales completos, la elección de los materiales es muy importante. [13] Los materiales plásticos no son adecuados para la cámara debido a su capacidad de almacenamiento de oxígeno. Cuando los materiales plásticos son inevitables (por ejemplo, para juntas tóricas, revestimientos de agitadores o tapones), se pueden usar polímeros con una permeabilidad al oxígeno muy baja (como PVDF en lugar de, por ejemplo, PTFE ). La difusión de oxígeno restante dentro o fuera de los materiales de la cámara se puede controlar corrigiendo los flujos de oxígeno medidos para el flujo de fondo de oxígeno instrumental. Todo el instrumento que comprende los componentes mencionados a menudo se denomina oxígrafo. Las empresas que proporcionan equipos para la rpirometría de animales completos mencionadas anteriormente no suelen estar involucradas en la respirometría mitocondrial. La comunidad cuenta con servicios a niveles muy diferentes de precios y sofisticación por parte de empresas como Oroboros Instruments, Hansatech, Respirometer Systems & Applications, YSI Life Sciences o Strathkelvin Instruments.

Ver también

Referencias

  1. ^ Blanco, CR y RS Seymour. 2005. Escalado alométrico del metabolismo de los mamíferos. Revista de biología experimental 208(9):1611–1619.
  2. ^ Blaxter, K. 1989. Metabolismo energético en animales y hombre . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN  0-521-36931-2
  3. ^ Weibel, ER y H. Hoppeler. 2005. Escalas de tasa metabólica máxima inducida por el ejercicio con capacidad aeróbica muscular. Revista de biología experimental 208(9):1635–1644.
  4. ^ Nagy, KA 2005. Tasa metabólica de campo y tamaño corporal. Revista de biología experimental 208(9):1621–1625.
  5. ^ Makarieva, AM, Gorshkov, VG, Li, BL, Chown, SL, Reich, PB y Gavrilov, VM (2008). Las tasas metabólicas medias específicas de masa son sorprendentemente similares en los principales dominios de la vida: evidencia del óptimo metabólico de la vida. Actas de la Academia Nacional de Ciencias 105(44):16994-16999.
  6. ^ Frappell, PB, HA Blevin y RV Baudinette. 1989. Comprensión de las cámaras de respirometría: lo que entra debe salir. Revista de biología teórica 138(4):479–494. PMID  2593683
  7. ^ Withers, PC 2001. Diseño, calibración y cálculo de sistemas de respirometría de flujo continuo. Revista Australiana de Zoología 49:445–461.
  8. ^ Lighton, JRB 2008. Medición de las tasas metabólicas: un manual para científicos. Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 0-19-531061-6
  9. ^ Bartolomé, GA, D. Vleck y CM Vleck. 1981. Mediciones instantáneas del consumo de oxígeno durante el calentamiento previo al vuelo y el enfriamiento posterior al vuelo en polillas esfingidas y saturnidas. Revista de biología experimental 90(1):17–32.
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  14. ^ Gnaiger E, ed (2007) "Vías mitocondriales y control respiratorio". Publicaciones OROBOROS MiPNet, Innsbruck, 1.ª edición electrónica, ISBN 978-3-9502399-0-4 
  15. ^ Hildebrandt, TM y Grieshaber, MK, 2008 Tres actividades enzimáticas catalizan la oxidación de sulfuro a tiosulfato en mitocondrias de mamíferos e invertebrados. FEBS J. (275): 3352–3361.
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  19. ^ Hoeks J., Briedé JJ, de Vogel J., Schaart G., Nabben M., Moonen-Kornips E., Hesselink MK, Schrauwen P., 2008. Función mitocondrial, contenido y producción de ROS en el músculo esquelético de rata: efecto de alimentación rica en grasas. FEBS Lett. 582: 510–516.
  20. ^ Aumento de la biogénesis mitocondrial, estrés oxidativo y glucólisis en linfomas murinos Enrique Sampera, E., Morgadob, L., Estradab, JC, Bernadb, A., Hubbarda, A., Susana Cadenas, S. y Melova S., 2009 Aumento de la biogénesis mitocondrial, el estrés oxidativo y la glucólisis en linfomas murinos. Biología y medicina de los radicales libres 46(3): 387–396.
  21. ^ Hutter E., Unterluggauer H., Garedew A., Jansen-Durr P. y Gnaiger E. 2006 Respirometría de alta resolución: una herramienta moderna en la investigación del envejecimiento. Exp. Gerontol. 41:103–109.

enlaces externos