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Introducción a la fisiología, homeostasis y sistemas de control

Fisiología La fisiología es la ciencia que estudia la función de los organismos. El objeto de la fisiología es explicar cómo los sistemas, las células e incluso las moléculas, interactúan para mantener una función normal. El enfoque del curso es determinar como una explicación que esté a nivel de átomos, moléculas o células afecta los sistemas del organismo. Ejemplo: ¿Cómo se ve afectado el organismo de una persona al consumir algo dulce? 1. Al aumentar la glucosa en el cuerpo, esta entra por medio del transportador GLUT2 a las célulasβ del páncreas.  Glucosa se fosforila 2. Se da glucolisis  Se genera piruvato, entra al ciclo de Krebs y se genera ATP 3. La célulaβ es sensible al ATP 4. Se inhiben canales de K+  Consecuentemente, el K+ no sale de la célula 5. La célula se despolariza  Disminuye el potencial de la célula 6. Aumenta la actividad de los canales Ca2+ de la célula  Como consecuencia, entra Ca2+ a la célula 7. Se desencadenan mecanismos de exocitosis en la célula 8. La insulina se exocita (sale de la célula) 9. La insulina viaja por la sangre (es una hormona) 10. Actúa donde se encuentren receptores de insulina en tejido adiposo y músculo esquelético  El GLUT4 permite que entre glucosa a los tejidos y la glicemia en el cuerpo disminuye Pensamiento Mecanicista vs. Pensamiento Teleológico Es necesario explicar los procesos fisiológicos mediante un pensamiento mecanicista. Consiste en:   

Explicar causas y efectos Explicar Cómo sucede, Por qué sucede o A través de procesos fisicoquímicos Se explica PORQUE

NO se utiliza el pensamiento teleológico, este consiste en explicar PARA QUE se dan los procesos. Sistemas Reguladores del Cuerpo El cuerpo es regulado principalmente por los siguientes tres sistemas: 1. Sistema Nervioso Central 2. Sistema Endocrino 3. Sistema Inmunológico

Organización general de los principales órganos del cuerpo

Flujo Sanguíneo  Corazón es dividido en dos bombas en serie:Corazón derecho y corazón izquierdo  Sangre Venosa: entra al corazón derecho y sale por arteria pulmonar a los pulmones.  En los capilares de los pulmones se da el intercambio de gases (se oxigena la sangre). Entra O2 en la sangre y el CO2 producido por metabolismo entra al medio ambiente  Sangre oxigenada: pasa por corazón izquierdo y viaja a los tejidos del cuerpo.  En los tejidos se quedan los nutrientes y los productos de desecho pasan a la sangre.  Las hormonas son mensajeros químicos que viajan por la sangre a los sitios donde estén los receptores.  Lo que se consume (lo que comemos) es absorbido en sangre por el tracto gastro intestinal, pasa por el hígado.  En los riñones se filtran los desechos y se excretan en la orina ***Cada uno de estos procesos se verán más a detalle en clases posteriores***

Claude Bernard: Es el “padre” de la fisiología 



Estableció que nuestro organismo está en contacto con dos ambientes: o Medio Externo: Lo que rodea el organismo o Medio Interno: LEC(líquido extracelular) rodea las células Estableció que: “Estabilidad del “medio interno (LEC)” es la condición principal para una existencia libre e independiente”. o Variables reguladas: volumen, osmolaridad, temperatura, pH, presión O2, presión CO2, concentración de iones, etc. Se deben de encontrar en un rango específico. o La capacidad de regular a estas variables permite que se pueda bucear, ir al espacio, ascender el Everest.

Homeostasis Mantenimiento de condiciones estables en el medio interno ante cambios en el ambiente externo o interno mediante mecanismos de retrocontrol negativo que disminuyan la señal de error. 

  

Por medio de la homeostasis se mantiene el LEC en condiciones estables o Estas condiciones son vitales para el apto funcionamiento de las células que permiten el funcionamiento correcto del organismo Las variables se mantienen estables por medio del retrocontrol negativo El fallo de los sistemas homeostáticos genera patologías La homeostasis es el control de una variable regulada del medio interno



El organismo tiene un sistema de autorregulación que permite que nos mantengamos en un estado estacionario dinámico por medio de sistemas de retroalimentación o En el LEC se mantienen las variables dentro de un rango específico. o La variable regulada puede variar, pero siempre va a estar dentro de su rango establecido

Mecanismos homeostáticos  



Existen muchos mecanismos redundantes, es decir existe más de un mecanismo para regular una sola variable. Ejemplo: Volumen circulante efectivo Requieren de energía o Al envejecer se pierde la capacidad de mantener la homeostasis. O sea se pierde la capacidad de regular las variables reguladas. Variables reguladas: o Posee un sistema de control para que la variable se encuentre dentro de un rango. o Para que variable sea regulada es medida por sensores que detectan el valor de la variable o Generalmente se regula por un sistema de retrocontrol negativo  Si variable regulada aumenta, sistema de retrocontrol negativo genera que la variable disminuya y viceversa.  Por lo tanto, la variable oscila alrededor del valor ideal (ver figura) o Entre más importante sea la variable existe un mayor número de mecanismos que la regulan  Ej: volumen circulante efectivo o Una variable controlada es diferente a una variable regulada, estas NO tienen un sistema de control.  Ej. Frecuencia cardíaca

Tabla 1. Variables Reguladas Variable Regulada

Sensor

Centro Control

Presión arterial de O2

Rango o Valor Normal 75-100 mmHg

de Efectores

Respuesta de Efectores

Quimiorreceptores (cuerpos carotideos y cuerpo aórtico)

Tallo cerebral

Diafragma y M. respiratorios

Cambio en frecuencia de respiración y volumen corriente

Presión arterial de CO2

34-45 mmHg

Tallo cerebral

Diafragma y M. respiratorios

Cambio en frecuencia de respiración y volumen corriente

Concentración K+

3,5-5,0 meq/l

Quimiorreceptores (cuerpos carotideos, cuerpo aórtico y bulbo raquídeo) Quimiorreceptores (corteza suprarrenal)

Corteza suprarrenal

Riñones

Reabsorción secreción de K+

alterna/

Concentración de Ca2+

4,3-5,3 meq/l

Quimiorreceptores (glándula paratiroides)

Glándula paratiroides

Hueso, riñon e intestino

Reabsorción alterna de Ca 2+, reabsorción/ construcción ósea alterna, absorción alterna de Ca2+

Concentración H+ pH

35-45 nM (pH 7,357,45)

Quimiorreceptores (cuerpos carotideos, cuerpo aórtico, suelo del cuarto ventrículo y riñón)

Tallo cerebral y Riñón

Diafragma y M. respiratorios

Cambio en frecuencia de respiración, volumen corriente y cambio en secreción/ reabsorción de H+/ iones de bicarbonato

Después comida: quimiorreceptores (páncreas) Ayuno: quimiorreceptores (hipotálamo y páncreas) Termosensores (hipotálamo y piel)

Páncreas

Concentración de glucosa en sangre

70-110 mg/dl

Riñón Hígado, tejido adiposo y M. esquelético

Almacenamiento/ metabolismo/ liberación alterna de glucosa y sus compuestos relacionados

Hipotálamo

Vasos sanguíneos y glándulas sudoríparas en piel y m. esquelético

Cambio en resistencia periférica, rango de frecuencia de secreción de sudor, temblar, ganancia/pérdida de calor alterna

Hipotálamo

Temperatura corporal

37°C

Presión arterial media

93 mmHg

Mecanosensores (seno carotídeo y arco aórtico)

Bulbo raquídeo

Corazón y vasos sanguíneos

Ritmo cardíaco alterno, resistencia periférica, estado ionotrópico del corazón y tono venomotor.

Volumen circulante efectivo

5L

Mecanosensores (Vasos sanguíneos: cuerpos carotídeos) (Corazón: atrios y ventrículo) (Riñón: aparato yuxtaglomerular y arteriola aferente del glomérulo)

Bulbo raquídeo Hipotálamo

Corazón Vasos sanguíneos

Ritmo cardíaco alterno, resistencia periférica, estado ionotrópico del corazón

Atrios

Riñón

Riñón

Intestino

Osmosensores (hipotálamo)

Hipotálamo

Osmolalidad sanguínea

 

280296 mosM/k g

Reabsorción alterna de Na+ y agua Absorción alterna de agua

Riñones

Vía aferente: Información sensada llega a un centro de control Vía eferente: Información viaja de del centro de control hacia los efectores o Para presión arterial media: corazón y vasos sanguíneos

Reabsorción agua

alterna

de



Barorreflejo: Es un sistema de retrocontrol negativo. o Porque la información que sale del sistema vuelve a ser sensada.

Estado de Equilibrio vs. Estado Estable/Estacionario Estado de Equilibrio   

Estado Estable/Estacionario

Se alcanza después de cierto tiempo No hay intercambio neto de materia ni energía entre compartimientos No se gasta energía para mantener un estado de equilibrio



 

Mantiene la homeostasis o La variable regulada se mantiene estable en el tiempo (no cambia en el transcurso del tiempo) Requiere energía No es un estado de equilibrio

Estado Estable/Estacionario Un ejemplo de este estado es el Na+, K+ y la ATPasa 

 

La energía por la hidrólisis de ATP permite que se transporten de forma activa 3 Na+ hacia LEC y 2 K+ hacia LIC o Existe un desequilibrio químico entre el LEC y el LIC El transporte de Na+ y K+ ocurre en contra de sus fuerzas electromotrices o Por lo tanto, se necesita energía La concentración de Na+ está en un cierto rango en el LEC y LIC

o

Concentración extracelular (mM)

Concentración intracelular (mM)

Na+

140

12

K+

5

150

Se mantienen en ese rango debido a mecanismos homeostáticos que necesitan energía  Ej. Bomba de sodio y potasio

Equilibrio de Masas (Estado de Equilibrio) Algunos ejemplos de equilibrio de masas son los siguientes: 



Ej. El volumen de agua que se tiene en el cuerpo hoy va a ser IGUAL al de mañana o Para que el valor se mantenga en equilibrio el agua tomada es igual a la cantidad que se excreta. Ej: La cantidad de Na+ en el cuerpo a cierta hora un lunes es igual a la cantidad del miércoles a la misma hora o Lo anterior se debe a que el sodio total del cuerpo es el mismo o El sodio ingerido es igual al que se excreta

Existen desequilibrios de masas: 

Desequilibrio Negativo: o Ej: Se está a dieta y se consumen menos calorías que las que se gastan



o El peso no se mantendría en equilibrio Desequilibrio Positivo: o Ej: Se consume más sodio que el que se excreta

Sistemas de Control Fisiológico Sistema: Está compuesto por diferentes órganos o partes de órganos que trabajan juntos para una función u objetivo determinado. Mediante estos sistemas se mantiene la homeostasis. 

Componentes de los sistemas de control 1. Variable regulada/parámetro controlado (estímulo) 2. Sensor o receptor (detector) 3. Vía aferente 4. Centro integrador o controlador (comparador) 5. Vía eferente 6. Diana o Efectores 7. Respuesta



Información sobre una variable regulada llega al sistema, se procesa y sale información. Vía Aferente: Vía por la cual llega información al sistema y va hacia el sistema de integración Vía Eferente: Vía por la cual sale la señal hacia los efectores Las variables reguladas tienen un valor deseado o hay un rango dentro del cual debe estar. A este valor o rango se le llama Set-point/ punto de ajuste.

  

1. La variable regulada es sensada por un barorreceptor 2. La información sobre la variable llega por vía aferente a un comparador 3. El comparador compara la variable regulada de la persona con la que se debe de tener  La variable que se debe tener es definida por el sistema nervioso central 4. Si el valor sensado es diferente al valor deseado se genera una señal de error 5. La señal de error se comunica con un efector con el fin de corregir el error.

Ejemplo La presión arterial media (PAM) de una persona está en 60 mmHg después de un accidente de tránsito (normalmente la presión arterial media es de 93 mmHg). 1. Los receptores de la presión arterial media son terminaciones nerviosas que se encuentran en el seno carotideo y el arco de la aorta.  Son terminaciones nerviosas de los pares craneales IX Glosofaríngeo y X Vago. 2. Los pares craneales por vía aferente llevan potenciales de acción al centro integrador  El centro integrador para la PAM es el bulbo raquídeo (Parte del sistema nervioso central) 3. En el bulbo raquídeo se compara el valor de referencia de PAM con el valor que tiene la persona. 4. Se determina una diferencia entre el valor sensado y el de referencia 5. Se genera una señal de error que viaja por vía eferente hacia los efectores  Gracias al sistema nervioso autónomo, en específico el sistema parasimpático se genera una respuesta de retrocontrol negativo  El sistema nervioso simpático aumenta la frecuencia cardíaca, aumenta la fuerza de contracción y aumenta el gasto cardíaco. SISTEMAS DE CONTROL Retroalimentación NEGATIVA    

Son los sistemas que mantienen la homeostasis Atenúa los cambios en la variable regulada o Si una variable regulada aumenta el sistema de control la disminuye y viceversa. Ver gráfico, por eso es que oscila por el valor normal Ej: Si glicemia aumenta el sistema de retroalimentación negativa la disminuye

Si hay cambio entre el valor sensado y el valor regulado, se activa el mecanismo de retrocontrol y se modifica la variable reguladapara que se acerque a su valor inicial pero nunca vuelve al valor exacto, es decir, no se logra corregir en un 100%.

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑮𝒂𝒏𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 = 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Sistemas de control tienen distintas ganancias. Siempre hay cierto error que prevalece, es decir, nunca se puede llegar al valor establecido.  Sistemascon ganancias muy altas (corrigen precisamente la variable regulada), duran mucho tiempo en corregir (más lentos y tiempo de respuesta (tau) más largo).Corrigen la variable en forma muy precisa pero en mucho tiempo Sistema de barorreflejo actúa muy rápido pero tiene una ganancia baja Atenuación del error: es el porcentaje de lo que queda el error después de ser corregido. 𝑨𝒕𝒆𝒏𝒖𝒂𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝒆𝒍 𝒆𝒓𝒓𝒐𝒓 =

1 + 1 × 100 𝑮𝒂𝒏𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂

Por ejemplo, luego del barorreflejo el error quedó en un 20% con respecto al valor de la perturbación original (100-75 = 25) (Sin actuar el barorreflejo, hubiera quedado un 100% del error o perturbación original)

En el cuerpo abundan sistemas de retrocontrol negativo (sistemas de control homeostáticos). Por ejemplo:    

Control de la osmolalidad del LEC Control del volumen del LEC Control de la glicemia Control del K+

Sistemas de control no homeostáticos (retrocontrol POSITIVO) Alejan al cuerpo de la homeostásis (la variable regulada se sigue alejando del valor regulado). El sistema se desestabiliza y el ciclo se detiene por un evento externo. Se conoce como el “fenómeno del círculo vicioso” Ejemplos: 

Parto: El ciclo termina al nacer el bebé Contracciones uterinas

Distención del cervix

Liberación de oxitocina (hipófisis posterior) 



Ciclo ovárico: cantidades elevadas de estrógenos estimulan la liberación de hormonas gonadotrópicas por la hipófisis (en pequeñas cantidades más bien inhiben la liberación de las hormonas). Las hormonas gonadotrópicas estimulan la secreción de estrógenos. El ciclo termina al darse la ovulación. Liberación de Ca+2 inducido por Ca+2 en los miocitos cardíacos: al entrar el Ca+2 al LIC, se une a receptores de Ca+2 en el retículo endoplasmático, eso produce que se abran los canales de Ca+2(del retículo) y se libera en el citoplasma de la célula cardiaca



Generación de los potenciales de acción en una neurona: cuando una neurona se despolariza, se abren los canales de Na+ (voltaje dependientes), por lo que la neurona se despolariza todavía más. El ciclo se termina al llegar a un umbral donde se dispara el potencial de acción.

Ciclos biológicos (Reostasis)  Reostasis: procesos fisiológicos que permiten cambios en la señal de referencia de una variable regulada. Este punto de ajuste varía cada cierto tiempo, es decir, no es el mismo a lo largo de un período. Esto es:   

Endógeno Resultado del proceso evolutivo Depende de la expresión de genes (genes reloj).

 Estos procesos no dependen de factores externos (dadores de tiempo o factores sincronizadores) como los ciclos de luz/oscuridad. Los dadores del tiempo influyen a la hora de sincronizar los ciclos. Por ejemplo, cuando se alcanza un mínimo en la temperatura corporal se encuentra en el ciclo de oscuridad, pero la oscuridad no produce que disminuya la temperatura corporal. Es decir, hacen que coincidan algunos eventos con un periodo en específico.Si no son sincronizadas, los ciclos se desfasan progresivamente del ciclo de luz/oscuridad porque duran más de 24 h o menos. Ejemplo de dadores del tiempo:   

Ciclos de luz/oscuridad Horarios de comida Actividad social

Protoalimentación: el cuerpo se puede anticipar a eventos que van a suceder. Son importantes las experiencias previas que se tuvieron con esa actividad en específico. Por ejemplo:  

Antes de iniciar actividad física: aumenta la frecuencia cardiaca, la profundidad y la frecuencia de la respiración, como anticipación a la actividad que va a suceder. Antes de despertarse se da la secreción de cortisol, aumenta la temperatura corporal, la actividad del sistema nervioso simpático, liberación de cortisol y epinefrina (estan sincronizado a la fase de luz)

Cronostasis: variaciones periódicas Ritmo biológico: un evento que ocurre a cierta frecuencia y de forma regular. Genes reloj: se expresan de forma cíclica; esto a su vez permite que se den los ritmos biológicos. Esto implica la existencia de un marcapasos, el cuales un sitio en el que ocurre un efecto cada cierto tiempo, de forma periódica, lo cual produce que el ciclo se repita. El principal marcapasos que existe es el núcleo supraquiasmático, ubicado en el sistema nervioso central (SNC), por encima del quiasma óptico (en el hipotálamo). Es un conglomerado de cuerpos neuronales acopladps (alrededor de 20mil). Es donde se da la expresión de genes reloj La luz es el principal agente sincronizador. Ritmos biológicos: Circadiano

20-28h (1 día)

Temperatura, secreción de prolactina, TSH y melatonina

cortisol,

Ultradiano

28h

Ciclos estrales (reproductivos) en algunos animales

Circalunares

Mes lunar 29.5 días

Ciclo menstrual

Circanual

1 año

Hibernación y reproducción en animales

 Componentes de un ritmo biológico: Marcapaso, receptores y señales de salida 15-30% de los genes se expresan de forma cíclica o periódica Procesos fisiológicos controlados por “relojes circadianos”:        

Metabolismo energético Motilidad del tracto gastrointestinal Ciclos vigilia-sueño Actividad cardiovascular (presión arterial) Secreciones endocrinas Temperatura corporal Actividad renal Actividad locomotora

Cronofarmacología: administración de...